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世界知名的學(xué)術(shù)期刊《物理世界》2024年度十大科學(xué)突破于12月12日揭曉。中國兩項科研成果入選：自帶“開關(guān)”的半導(dǎo)體石墨烯，以及從月球背面返回的第一批樣本。

《物理世界》編輯團(tuán)隊回顧了今年以來報道過的所有科學(xué)發(fā)現(xiàn)，并挑選出他們認(rèn)為最重要的10項。這些突破必須滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：知識或理解上的重大進(jìn)步、對科學(xué)進(jìn)步和/或?qū)嶋H應(yīng)用開發(fā)的重要性，以及受到讀者普遍關(guān)注。這十大突破如下。

吸光染料將皮膚變成“透明窗”

皮膚是一種散射介質(zhì)，是不透明的。但美國得克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校與斯坦福大學(xué)的聯(lián)合團(tuán)隊，在活體小鼠頭部和腹部皮膚上涂抹水與檸檬黃的混合液，讓這些區(qū)域變得透明。該過程在動物試驗中可逆，有望在廣泛的醫(yī)學(xué)診斷中發(fā)揮重要作用。

激光冷卻正電子

歐洲核子研究中心（CERN）與日本東京大學(xué)團(tuán)隊成功演示了正電子的激光冷卻技術(shù)。通過將正電子冷卻至低溫，團(tuán)隊不僅能夠更精確地研究這些反粒子，還能顯著提高反氫（由正電子和反質(zhì)子組成的反原子）的產(chǎn)量，預(yù)計可增加一到兩個數(shù)量級。這一成就也標(biāo)志著在理解和研究反物質(zhì)領(lǐng)域的一個重要進(jìn)展。

肺細(xì)胞建模用于個性化放療

放射療法是肺癌治療的一種有效手段，但其對健康組織有潛在損害。英國、德國及美國科學(xué)家組成的聯(lián)合團(tuán)隊開發(fā)了一個計算模型，在納米尺度上模擬了肺泡接受輻射的過程。該模型能夠依據(jù)傳遞給每個細(xì)胞的輻射劑量及其分布情況，預(yù)測細(xì)胞的存活或死亡，并評估從數(shù)小時到數(shù)年時間段內(nèi)輻射損傷的程度。該模型將優(yōu)化肺癌的放射治療方案。

半導(dǎo)體石墨烯自帶“開關(guān)”

中國天津大學(xué)與美國佐治亞理工學(xué)院團(tuán)隊，攻克了長期以來阻礙石墨烯電子學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)難題：通過對外延石墨烯生長過程的精確調(diào)控，成功在石墨烯中引入了帶隙，創(chuàng)造了一種新型穩(wěn)定的半導(dǎo)體石墨烯。同樣在今年，英國曼徹斯特大學(xué)團(tuán)隊利用石墨烯能夠同時傳導(dǎo)質(zhì)子和電子的特性開發(fā)了新型器件，其中質(zhì)子電流被用來執(zhí)行邏輯操作，而電子電流則用于編碼部分內(nèi)存。這些成果被認(rèn)為是開啟石墨烯芯片制造領(lǐng)域大門的重要里程碑。

單個原子核衰變探測

美國耶魯大學(xué)團(tuán)隊開發(fā)了一種技術(shù)，通過將放射性鉛-212原子嵌入微米尺寸的二氧化硅球中，測量這些原子核衰變時從球體逸出所產(chǎn)生的反沖，以此來檢測單個氦核的衰變。這項技術(shù)提供的高靈敏度，也使中微子的檢測成為可能。

兩種不同原子核描述首次統(tǒng)一

美國麻省理工學(xué)院、德國明斯特大學(xué)等國際研究團(tuán)隊，首次成功統(tǒng)一了兩種不同的原子核描述方式。他們將粒子物理學(xué)中關(guān)于原子核由夸克和膠子構(gòu)成的觀點，與傳統(tǒng)核物理學(xué)中將原子核視為相互作用的質(zhì)子和中子集合的觀點結(jié)合起來。這標(biāo)志著人們對于原子核結(jié)構(gòu)及強相互作用的理解取得了重要進(jìn)展。

小型低成本鈦藍(lán)寶石激光器

美國斯坦福大學(xué)團(tuán)隊開發(fā)了一種緊湊的單晶鈦藍(lán)寶石—絕緣體的光學(xué)器件。該激光器只需一個簡單的綠色LED作為泵浦源，成本和占地面積降低了3個數(shù)量級，功耗降低了兩個數(shù)量級，且能夠調(diào)整激光的波長。未來人們有望將鈦藍(lán)寶石激光器從大型實驗室設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)楸銛y式、低成本的工具。

量子糾錯能力向?qū)嵱没~進(jìn)

來自美國哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院和QuEra計算公司的團(tuán)隊，以及谷歌量子AI團(tuán)隊，分別展示了有效的量子糾錯技術(shù)。前者在一個擁有48個邏輯量子比特的原子處理器上進(jìn)行演示；而后者則在超導(dǎo)芯片中實現(xiàn)了低于表面碼閾值的量子糾錯。為了使量子計算機能夠成為實用的問題解決工具，有效地糾錯至關(guān)重要。這兩個團(tuán)隊通過使用截然不同的系統(tǒng)展示他們的量子糾錯方法，意味著量子計算機向?qū)嵱没~出了重要一步。

利用糾纏光子編碼和增強圖像

兩個國際研究團(tuán)隊展示了量子技術(shù)在光學(xué)領(lǐng)域的潛力。法國索邦大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種使用量子糾纏將圖像編碼進(jìn)一束光的方法。在另一項合作研究中，索邦大學(xué)與英國格拉斯哥大學(xué)科學(xué)家聯(lián)手，探索了如何利用糾纏光子來提升自適應(yīng)光學(xué)成像的質(zhì)量。這些成果推動高精度成像技術(shù)的進(jìn)步。

月球背面首批樣本返回

2024年6月25日，中國嫦娥六號月球探測器首次完成人類從月球背面采樣的壯舉，攜帶1935.3克樣品返回地球。11月15日，中國科學(xué)家采用嫦娥六號月球樣品做出的首批兩項獨立研究成果，同時刊登在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》與《科學(xué)》雜志上。兩項研究首次揭示月球背面約28億年前仍存在年輕的巖漿活動，填補了月球玄武巖樣品在該時期的記錄空白。