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瑞典斯德哥爾摩大學(xué)馬爾庫(kù)斯·海因里希（Markus Hennrich）等人，以及德國(guó)錫根大學(xué)、西班牙巴斯克及塞維利亞地區(qū)的研究者，運(yùn)用一系列“弱”測(cè)量（獲2011年《物理世界》科研突破獎(jiǎng)）探測(cè)量子力學(xué)中疊加態(tài)坍縮的本質(zhì)。雖然測(cè)量操作通常會(huì)導(dǎo)致量子系統(tǒng)變成確定的經(jīng)典狀態(tài)，但海因里希等人的工作表明，某些測(cè)量不會(huì)摧毀全部量子信息。這個(gè)團(tuán)隊(duì)在以單個(gè)鍶離子為對(duì)象展開的實(shí)驗(yàn)中拍攝了一系列“快照”，結(jié)果表明，測(cè)量不是瞬間把量子疊加態(tài)變成經(jīng)典狀態(tài)的，而是逐步做到這點(diǎn)的。因?yàn)閺脑砩险f(shuō)，弱測(cè)量過(guò)程中能夠做到在不破壞量子態(tài)的前提下，探測(cè)這些狀態(tài)的誤差，所以這項(xiàng)工作或許有助于改善量子計(jì)算機(jī)的誤差校正能力。

麻省理工學(xué)院于浩村（Haocun Yu）和李·邁克庫(kù)勒（Lee McCuller）以及LIGO（激光干涉引力波天文組織）科學(xué)合作團(tuán)隊(duì)的成員證明了量子尺度相關(guān)性可以在重達(dá)數(shù)十千克的宏觀物體上留下痕跡。他們研究了LIGO干涉儀發(fā)出的激光束與其鏡體（每個(gè)鏡體都重達(dá)40千克）之間的細(xì)微相互作用。研究人員觀察到，鏡體因?yàn)檩椛湓肼暥苿?dòng)，這正是海森堡不確定性原理導(dǎo)致的結(jié)果。他們?cè)谑褂眉す獾膲嚎s真空態(tài)時(shí)，證明了量子噪聲會(huì)下降到標(biāo)準(zhǔn)量子極限之下，這證明了激光束和鏡體之間的量子相關(guān)性。這項(xiàng)研究可以提升LIGO、Virgo（室女座干涉儀）以及未來(lái)建造的天文臺(tái)對(duì)引力波的觀測(cè)能力。

Borexino合作團(tuán)隊(duì)在太陽(yáng)的碳-氮-氧循環(huán)（CNO循環(huán)）中探測(cè)到了中微子。這個(gè)團(tuán)隊(duì)首先花了大力氣把Borexino探測(cè)器的本底輻射影響降到了最低——Borexino探測(cè)器位于意大利格蘭薩索山深處，由278噸極純液態(tài)閃爍體構(gòu)成。這個(gè)觀測(cè)結(jié)果證實(shí)了最早在80年前提出的一個(gè)恒星核合成理論，同時(shí)也能激勵(lì)物理學(xué)家使用下一代中微子探測(cè)器解決太陽(yáng)的“金屬豐度之謎”——一個(gè)有關(guān)恒星內(nèi)部碳、氮、氧豐度的問(wèn)題。

首次發(fā)現(xiàn)鐵電向列相液晶

美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校的諾爾·克拉克（Noel Clark）及該校和猶他大學(xué)的同行在液晶中發(fā)現(xiàn)了鐵電向列相。早在100多年前，人們就預(yù)言鐵電向列相液晶存在，今年終于得到了證實(shí)。在這種相中，液晶特定團(tuán)塊或區(qū)域內(nèi)的所有分子都指向大致相同的方向——這種現(xiàn)象就是極性排序，早在1910年代，彼得·德拜（Peter Debye）和馬克斯·玻恩（Max Born）就提出了相關(guān)假說(shuō)?？死说热税l(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們?cè)谝环N名叫RM734的有機(jī)分子上施加弱電場(chǎng)時(shí)，包含液晶的細(xì)胞邊緣會(huì)出現(xiàn)一系列明亮的顏色。事實(shí)證明，相比傳統(tǒng)向列相液晶，鐵電向列相RM734對(duì)電場(chǎng)要敏感得多。雖然我們還需要進(jìn)一步認(rèn)證能在室溫環(huán)境下表現(xiàn)出這種現(xiàn)象的物質(zhì)，但鐵電向列相物質(zhì)無(wú)疑能應(yīng)用于從新型顯示屏到重構(gòu)計(jì)算機(jī)內(nèi)存的各個(gè)領(lǐng)域。

薄膜鈣鈦礦探測(cè)器大幅削減了成像劑量

鈣鈦礦薄膜X射線探測(cè)器的靈敏度是傳統(tǒng)硅探測(cè)器的100倍，并且不需要外部電源

美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的聶婉怡等人利用薄膜鈣鈦礦開發(fā)出了一種極為敏銳的X射線探測(cè)器。研究人員在這種薄膜鈣鈦礦探測(cè)器中使用了同步加速光束線，并且發(fā)現(xiàn)，就高能X射線來(lái)說(shuō)，鈣鈦物質(zhì)的X射線吸收系數(shù)平均要比硅高10～40倍。他們還證明，這種新型固態(tài)X射線探測(cè)器要比傳統(tǒng)的硅探測(cè)器靈敏100倍，且只需用極低劑量的輻射就能生成醫(yī)學(xué)圖像和牙科圖像，也就是可以用少得多的X射線生成和現(xiàn)在同等質(zhì)量的圖像，這就讓針對(duì)病患的X射線掃描成像過(guò)程變得更加安全了。聶婉怡還特別指出，建造此類探測(cè)器大規(guī)模陣列的成本應(yīng)該遠(yuǎn)小于相同規(guī)模的半導(dǎo)體探測(cè)器陣列。

聲速受到基本常數(shù)的限制

倫敦瑪麗女王大學(xué)的克斯特亞·特拉琴科（Kostya Trachenko）、劍橋大學(xué)的巴托梅烏·蒙塞拉特（Bartomeu Monserrat）和克里斯·皮卡德（Chris Pickard）以及俄羅斯科學(xué)院的瓦蒂姆·布拉津（Vadim Brazhkin）通過(guò)計(jì)算證明，聲音在固態(tài)和液態(tài)物質(zhì)中傳播速度的上限僅與兩個(gè)無(wú)量綱量有關(guān)，也即精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)以及質(zhì)子與電子的質(zhì)量比。這個(gè)研究小組的理論預(yù)言得到了兩方面的支持。一是，一系列固態(tài)材料聲速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。二是，對(duì)金屬氫中聲速的計(jì)算——實(shí)驗(yàn)室中還沒(méi)能創(chuàng)造出金屬氫，但聲音在這種材料中的傳播速度應(yīng)當(dāng)是最快的。這一結(jié)果對(duì)我們研究基本常數(shù)對(duì)物理屬性施加限制的方式頗具啟示作用。

扭旋電子學(xué)應(yīng)用于光子

安德里亞·阿魯（Andrea Alù）、鮑橋梁、邱成偉（Cheng-Wei Qiu）和一支由紐約城市大學(xué)、新加坡國(guó)立大學(xué)、莫納什大學(xué)、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)及德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校合作者組成的國(guó)際團(tuán)隊(duì)證明了，在二維三氧化鉬扭曲層中，光可能實(shí)現(xiàn)無(wú)色散及無(wú)衍射傳播，且其分辨率超過(guò)衍射極限一個(gè)數(shù)量級(jí)還多。他們以“魔角”石墨烯為基礎(chǔ)——“魔角”石墨烯是2018年《物理世界》科研突破獎(jiǎng)項(xiàng)目——通過(guò)二維物質(zhì)的扭曲層改變光子（而非電子）的傳播性質(zhì)。電子版本的實(shí)驗(yàn)，也就是所謂的“扭旋電子學(xué)”已經(jīng)引發(fā)了一系列有關(guān)超導(dǎo)性和電子狀態(tài)的研究，與之類似，全新的“光子學(xué)”變體也會(huì)在納米成像、量子光學(xué)、量子計(jì)算和低能光學(xué)信號(hào)處理等方面有重要應(yīng)用。

直接帶隙硅基光發(fā)射器終于研制成功

伊爾哈姆·法達(dá)利（左）和阿蘭·迪杰斯特拉（右）在實(shí)驗(yàn)室

荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)的伊爾哈姆·法達(dá)利（Elham Fadaly）、阿蘭·迪杰斯特拉（Alain Dijkstra）和埃里克·巴克斯（Erik Bakkers），德國(guó)耶拿市弗里德里希-席勒大學(xué)的延斯·雷內(nèi)·薩克特（Jens Renè Suckert）和一支國(guó)際團(tuán)隊(duì)研制出了一種直接帶隙硅基材料，這種材料能發(fā)出波長(zhǎng)適用于光學(xué)通信的光。正常情況下，硅的電子帶隙是非直接的，這就意味著硅發(fā)射光的能力較弱，且必須和其他半導(dǎo)體材質(zhì)結(jié)合起來(lái)才能形成有效的光電設(shè)備。為了開發(fā)出直接帶隙，研究人員就必須在一種六角形晶體結(jié)構(gòu)（而非尋常的鉆石結(jié)構(gòu)）中培育硅鍺合金晶體。他們?cè)谘兄瞥霭l(fā)射紅外光的合金納米導(dǎo)線后成功做到了這點(diǎn)。除了光學(xué)通信和光學(xué)計(jì)算之外，這種新型硅基材料還能用來(lái)開發(fā)化學(xué)傳感器。

混合粒子束提升了粒子療法的精準(zhǔn)度

由德國(guó)海德堡癌癥研究中心若昂·塞科（Joao Seco）和倫敦大學(xué)學(xué)院西蒙·喬利（Simon Jolly）領(lǐng)銜的一支團(tuán)隊(duì)證明了混合粒子束可以讓癌癥治療和治療監(jiān)控同時(shí)進(jìn)行。他們的基本思想是利用一種既含有碳離子又含有氦離子的粒子束，其中，碳離子可以對(duì)目標(biāo)腫瘤進(jìn)行照射治療，而氦粒子則會(huì)直接穿過(guò)病人，因而可以用來(lái)成像。研究人員在海德堡離子束治療中心利用骨盆模體開展實(shí)驗(yàn)，并且證明，即便是模體內(nèi)部氣泡的微小膨脹都會(huì)導(dǎo)致氦粒子穿透范圍的可觀變化。此外，他們還證明，模體微小的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)改變測(cè)量得到的信號(hào)。這一系列實(shí)驗(yàn)揭示了運(yùn)用混合粒子束監(jiān)控人體內(nèi)部及局部解剖學(xué)變化的潛力，這樣就能使粒子療法變得更加精準(zhǔn)，最終給癌癥病患帶去更好的療效。

第一種室溫超導(dǎo)體

美國(guó)羅切斯特大學(xué)的蘭加·迪亞斯（Ranga Dias）和該校及拉斯維加斯內(nèi)華達(dá)大學(xué)的同行在溫度高達(dá)15℃的高壓富氫材料中觀察到了超導(dǎo)現(xiàn)象。超導(dǎo)體能以零電阻導(dǎo)電，應(yīng)用廣泛，比如核磁共振掃描儀使用的高場(chǎng)磁體以及粒子加速器。在實(shí)踐中，以超導(dǎo)體為基礎(chǔ)的設(shè)備必須冷卻到非常低的溫度，成本很高且涉及氦的使用，因此，研究凝聚態(tài)物質(zhì)的物理學(xué)家一種期望能開發(fā)出一種室溫下的超導(dǎo)材料。迪亞斯等人制作的碳硫氫化材料將此前的超導(dǎo)溫度紀(jì)錄提升了大約35℃，也因此第一次在室溫下觀測(cè)到了超導(dǎo)現(xiàn)象。不過(guò)，取得這次室溫超導(dǎo)成就的代價(jià)是高達(dá)260萬(wàn)個(gè)大氣壓的高壓，研究人員認(rèn)為，改變材料的化學(xué)組成或許能減小所需的壓力。

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制版編輯 | Morgan