【前沿科技】2021年度物理学十大打破——《Physics World

  2021年12月14日，《物理国际》（Physics World）修改从其网站宣布的近600项研讨进展中评选出了年度物理学范畴十大打破。

  除了必须在2021年《物理国际》网站报道之外，当选候选名单的研讨还必须满意以下规范：

  本年的年度首要打破颁给了两支独立的团队，他们别离完成了两微观振荡鼓面的羁绊现象，并由此推动了咱们对量子体系与经典体系间不同的知道。

  这两大赢家别离是芬兰阿尔托大学与澳大利亚新南威尔士大学的米卡·斯兰帕（Mika Sillanpää）及其搭档，以及美国国家规范与技能研讨所（NIST）约翰·托伊费尔（John Teufel）和 施罗密·科特勒（Shlomi Kotler）领导的一支团队。

  除此之外，《物理国际》还评选出了其他9项效果，一起作为2021年度物理学十大打破。

  敲鼓：这张五颜六色电子显微镜图画展现了美国国家规范与技能研讨所科研人员运用的两枚铝鼓面

  量子技能在曩昔的20年里取得了长足进步，现在，物理学家现已能够完成并操控那些从前只能在思维试验范畴中存在的物理体系。其间一个特别吸引人的研讨方向，便是量子物理学与经典物理学之间的含糊鸿沟。

  曩昔，咱们能够经过规范巨细明晰地区别它们：像光子和电子这样的微观物体天然归于量子物理学范畴；像台球这样的微观物体则归于经典物理学范畴。

  在曩昔10年里，物理学家经过直径在10微米左右的鼓状机械谐振器提升了量子的界说极限。与电子和光子不同，这些鼓面是经过规范微机械加工技能制造出来的微观物体，在电子显微镜中就像是台球那样的实体（拜见上图）。不过，尽管这类谐振器并非像微观粒子那样的“无形”之物，但研讨人员却能观测到它们具有量子特性，比方，托伊费尔及其搭档就在2017年成功地让这种设备进入量子基态。

  本年，托伊费尔和科特勒领导的团队，以及斯兰帕领导的团队更进一步，首先在量子力学层面上完成了两枚此类鼓面的羁绊现象。这两支团队采纳的方法并不相同。阿尔托/堪培拉团队运用了一个特别选择的共振频率消除体系噪声——假如不这么做，噪声会搅扰鼓面的羁绊态。而美国国家规范与技能研讨所的团队完成的羁绊态则相似一个双量子位门。在这种景象下，羁绊态的方式取决于鼓面的初始状况。

  这两支团队都克服了巨大的试验妨碍，他们的不懈努力将为咱们翻开运用羁绊共振器的大门——咱们能够在量子网络中运用这类羁绊共振器，将其作为量子感应器或结点。毫无疑问，这项作业彻底算得上是2015年之后最重要的与量子相关的物理学年度打破。

  “三思而后言”：研讨人员大卫·摩西正在展开临床试验。试验过程中，一枚神经假肢记载了被试试图说出词语或句子时的大脑额叶活动

  加州大学旧金山分校大卫·摩西（David Moses）、肖恩· 梅茨格（Sean Metzger）及其搭档开发了一种言语神经假肢。这种东西能够将重度瘫患者的大脑信号翻译成文字打在屏幕上，然后答应他们用言语沟通。

  试验过程中，这支研讨团队将一个高密度电极阵列植入被试大脑，记载与言语构成相关的多个大脑皮层区域的电信号。神经假肢体系能够从皮层活动记载效果中认证出单词库（一共50个常用单词）中的相应单词。凭借这个单词库，被试就能说出成百上千个短句。这项技能的解码速率中值是每分钟15.2词——一个适当值得等待的效果，要知道，被试在电脑界面上打出自己想说的线束激光，全体表现为单一相干光源

  德国维尔茨堡大学的塞巴斯蒂安·克兰伯特（Sebastian Klembt）和以色列理工学院的莫迪凯·塞格夫（Mordechai Segev）及其搭档开发了一个由30台笔直腔面激光发射器（VCSELs）组成的阵列。

  韩国根底科学研讨所的尹太贤（Tai Hyun Yoon）、赵敏行（Minhaeng Cho），美国史蒂文斯理工学院的钱晓峰（Xiaofeng Qian）和美国德州农工大学的吉里什·阿加瓦尔（Girish Agarwal）经过理论和试验，量化了光子的“动摇度”和“粒子度”，而且证明，这两项性质都与光子源的纯度相关。Yoon和Cho在试验中严格地操控两个铌酸锂晶体宣布的光子对（“信号光子”和“搁置光子”）的量子态。他俩经过独立改动每个晶体开释光子的概率以及一个钱和阿加瓦尔在2020年首先提出的简略数学表达式证明了所谓的“光子源纯度”与能否在试验中看到干与条纹（一种动摇特点）以及途径不行区别现象（一种粒子特点）有关。

  在美国加利福尼亚州的美国国家焚烧设备（NIF）作业的奥马尔·哈利卡恩（Omar Hurricane）、安妮·克里特切尔（Annie Kritcher）、阿莱克斯·兹尔斯特拉（Alex Zylstra）、黛比·卡拉翰（Debbie Callahan） 及其搭档，朝着完成“焚烧”的终极方针又迈进了一步。

  早在10年前，美国国家焚烧设备就启动了，其长时间方针是证明它能够到达焚烧的条件——聚变反应发生的能量不小于输入的激光带着的能量。办理美国国家焚烧设备的是劳伦斯利弗莫尔国家试验室。研讨人员用192束脉冲激光炮击一个1厘米长的空心金属圆柱体（黑体辐射空腔）外表。圆柱体内部有一个燃料胶囊——一个直径在2毫米左右、内部涂有一层薄氘-氚的空心球壳。

  欧洲核子研讨中心反氢激光物理设备（ALPHA）以及重子反重子对称性试验（BASE）的研讨人员经过两项独立的研讨得到了冷却粒子和反粒子的新方法。这些技能为准确查验世界物质-反物质不对称性的研讨打下了根底。

  德意志电子同步加速器、欧洲同步辐射试验室（坐落法国）、海德堡马克斯-普朗克核物理研讨所的约尔格·埃夫斯（Jörg Evers ）及其搭档首先完成了对原子核激起的量子相干操控。

  美国试验室天体物理联合研讨所的克里斯蒂安·桑纳（Christian Sanner）及其搭档，美国芝加哥大学的艾米塔·德布（Amita Deb）和尼尔斯·吉尔嘉德（Niels Kjærgaard），美国麻省理工学院的沃尔夫冈·凯特纳（Wolfgang Ketterle）及其搭档，这三支研讨团队各自独登时在超冷费米气体中观测到了泡利堵塞现象。

  20年前，美国布鲁克海文国家试验室的研讨第一次标明，μ介子磁矩的试验值与理论不符。现在，费米试验室与布鲁克海文国家试验室的试验效果结合在一起，将试验与理论间的差异推动到了4.2σ，这现已小于有用发现要求的5σ。假如这种差异经得起后续试验的查验，那就意味着逾越规范模型的全新物理学现已呈现。