2009國(guó)際物理十大進(jìn)展

2009年12月21日，英國(guó)皇家物理學(xué)會(huì)(IOP)所屬?lài)?guó)際知名電子期刊《物理世界》評(píng)出2009年度國(guó)際物理十大進(jìn)展.

1 首個(gè)完整的“量子計(jì)算機(jī)”

2009年8月6日美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)協(xié)會(huì)(NIST)所屬一個(gè)研究小組在《Science》上發(fā)表題為“Complete Methods Set for Scalable Ion Trap Quantum Information Processing”(可升級(jí)離子阱量子信息處理的完備方法集)的論文.在論文中該小組說(shuō)他們制作了一個(gè)小型器件，可以執(zhí)行基于離子的大規(guī)模量子信息處理所需的所有功能.雖然在此之前科學(xué)家曾示范過(guò)關(guān)于量子信息的單個(gè)或組合的處理方法，但這樣具有完備處理功能且在傳輸中無(wú)明顯信息丟失的裝置還是首次出現(xiàn)，因此這一成果被此領(lǐng)域中的研究者認(rèn)為是邁向?qū)嵱昧孔佑?jì)算機(jī)的重要一步.

2 “頂”級(jí)的發(fā)現(xiàn)

2009年3月4日《物理評(píng)論快報(bào)》發(fā)表費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的一篇論文宣布在粒子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中觀察到了單頂夸克的產(chǎn)生.單頂夸克的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了粒子物理學(xué)中包括夸克總數(shù)在內(nèi)的一些重要參數(shù)，對(duì)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室Tevatron加速器正在進(jìn)行的尋找 “希格斯子”的工作有重要意義.此前，頂夸克只是在強(qiáng)核力作用下才能觀察到，這種相互作用可導(dǎo)致產(chǎn)生一對(duì)頂夸克.單頂夸克的產(chǎn)生涉及到弱核力，因此很難用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行證明.

單頂夸克的發(fā)現(xiàn)距1995年首次發(fā)現(xiàn)頂夸克已經(jīng)過(guò)了大約14年的時(shí)間.尋找單頂夸克的難度猶如大海撈針，因?yàn)槊?00億次質(zhì)子-反質(zhì)子碰撞中只有一次才能產(chǎn)生一個(gè)單頂夸克，而且這些非常罕見(jiàn)的信號(hào)還很容易與那些發(fā)生幾率高得多的其他“背景”進(jìn)程相混淆.費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的研究報(bào)告中說(shuō)發(fā)現(xiàn)單頂夸克誤判信號(hào)的概率為大約四百萬(wàn)分之一，這使研究人員可以大膽宣稱(chēng)發(fā)現(xiàn)的是真實(shí)的單頂夸克.

3 新型自旋電子學(xué)器件的曙光

目前的電子技術(shù)大都基于對(duì)電子的電荷屬性的操控，而電子的另一屬性——自旋屬性除在巨磁電阻硬盤(pán)之中得到應(yīng)用外，長(zhǎng)期未得到開(kāi)發(fā)利用.荷蘭特溫特大學(xué)的Ron Jansen與合作者于2009年11月在《自然》上發(fā)表論文報(bào)告說(shuō)，他們首次在室溫下將自旋電子注入硅基半導(dǎo)體器件，且此自旋狀態(tài)保持了一定時(shí)間，這就是說(shuō)利用電子自旋屬性的硅基“自旋電子學(xué)器件”有望應(yīng)運(yùn)而生，將來(lái)有可能開(kāi)發(fā)出單個(gè)器件在納米尺度，速度在10～100 GHz硅基自旋電子學(xué)集成電路，從而催生出新一代計(jì)算機(jī).

根據(jù)自旋軸相對(duì)于周?chē)艌?chǎng)的指向，電子自旋具有向上和向下兩個(gè)狀態(tài)，如果能用這兩種狀態(tài)來(lái)在數(shù)字電路中代表0和1，那么器件的尺寸可以大為縮小(集成化程度提高)，耗能下降，運(yùn)算速度也可以大大加快.可以說(shuō)基于自旋電子學(xué)器件的計(jì)算機(jī)是未來(lái)計(jì)算機(jī)發(fā)展的重要方向.但在此前的研究中，自旋極化狀態(tài)只有在100 K以下的低溫環(huán)境才能在計(jì)算機(jī)常用的硅基器件中持續(xù)存在，因此極大地限制了自旋電子學(xué)器件的發(fā)展.

在特溫特大學(xué)的研究報(bào)告中說(shuō)，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)只要在半導(dǎo)體硅片和磁性材料之間插入厚度不到1 nm的氧化鋁薄膜，再施加一個(gè)電場(chǎng)，那么自旋極化的電子就會(huì)從磁性材料向硅片移動(dòng)，氧化鋁薄膜會(huì)起到過(guò)濾器的作用，只有某個(gè)特定自旋狀態(tài)的電子能夠通過(guò).只有當(dāng)有序的自旋極化電子注入硅片時(shí)，才能在室溫條件下使硅片中的自旋極化電子的狀態(tài)保持一段相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間.

4 石墨烷的首次亮相

石墨烯自從問(wèn)世以來(lái)，它的諸多優(yōu)異特性使其成為科學(xué)家的寵兒.2009年1月30日出版的《科學(xué)》雜志上，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)與天文學(xué)院的安德烈·格伊姆教授和科斯特雅·諾沃塞洛夫博士宣布，他們?cè)谑┗A(chǔ)上開(kāi)發(fā)出一種具有突破性的新材料——石墨烷(graphane).他們用石墨烯和氫制備出了一種具有絕緣性能的二維晶體石墨烯衍生物——石墨烷.該方法也同樣適用于制備出其他基于石墨烯的二維衍生材料，這些新型二維材料可具有不同導(dǎo)電性能.

石墨烷是在不破壞石墨烯獨(dú)特的六角形晶格結(jié)構(gòu)和單原子厚度的情況下，在每個(gè)碳原子上都增加了一個(gè)氫原子，從而制備出的具有新特性的石墨烯衍生物.研究人員稱(chēng)，雖然純凈石墨烯的化學(xué)性質(zhì)極為穩(wěn)定，但氫原子可與其發(fā)生反應(yīng)，由高度導(dǎo)電的石墨烯變成絕緣的石墨烷新材料.該實(shí)驗(yàn)證明了可以通過(guò)化學(xué)方法改變石墨烯的性能，這為制備其他基于石墨烯的化學(xué)衍生物鋪平了道路.

科斯特亞·諾沃塞洛夫說(shuō)：“石墨烯是一種極佳的導(dǎo)體，可被廣泛的應(yīng)用于諸多電子設(shè)備當(dāng)中，如果可以通過(guò)化學(xué)方法按人們的需要控制其電子性能，那將具有更為誘人的應(yīng)用前景.我們的工作已經(jīng)證明了這種方法的可行性，打開(kāi)了制造石墨烯化學(xué)衍生物的大門(mén)，這將進(jìn)一步拓寬石墨烯的應(yīng)用空間.”

5 在自旋冰中發(fā)現(xiàn)磁單極存在證據(jù)

在9月3日出版的《科學(xué)》雜志上，德國(guó)亥姆霍茲聯(lián)合會(huì)研究中心的研究人員發(fā)表論文宣稱(chēng)，他們?cè)诘聡?guó)德累斯頓大學(xué)、圣安德魯斯大學(xué)、拉普拉塔大學(xué)及英國(guó)牛津大學(xué)的協(xié)作下，首次觀測(cè)到磁單極子在一種叫做自旋冰的磁性材料中的存在.

英國(guó)物理學(xué)家保羅·狄拉克早在1931年就利用數(shù)學(xué)公式預(yù)言磁單極子存在于攜帶磁場(chǎng)的管(所謂的狄拉克弦)的末端.當(dāng)時(shí)他認(rèn)為既然帶有基本電荷的電子在宇宙中存在，那么理應(yīng)帶有基本“磁荷”的粒子存在，從而啟發(fā)了許多物理學(xué)家開(kāi)始了他們尋找磁單極子的工作.如果德國(guó)人的工作被最終確認(rèn)，那么這將是本世紀(jì)最重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一.

6 月球水資源調(diào)查

在9月25日出版的《科學(xué)》雜志上刊登了來(lái)自繞月球飛行或是途中經(jīng)過(guò)月球的三個(gè)不同探測(cè)器的觀測(cè)結(jié)果，結(jié)果顯示月球表面到處都有水的存在，但含量極小，大約1 t月球表層土壤含900 g水.三個(gè)提供月球有水證據(jù)的三個(gè)探測(cè)器分別是繞月的印度月船一號(hào)，和途中經(jīng)過(guò)月球的美國(guó)卡西尼號(hào)和深度撞擊號(hào)探測(cè)器.三個(gè)探測(cè)器全部使用同一類(lèi)儀器，研究水和羥基對(duì)特定光波長(zhǎng)的吸收情況.三臺(tái)儀器出現(xiàn)同樣問(wèn)題的概率幾乎為零，因此可以證實(shí)月球表面的確存在水和羥基.

美宇航局的新聞發(fā)布會(huì)也對(duì)這項(xiàng)研究做了說(shuō)明，稱(chēng)這一發(fā)現(xiàn)可能會(huì)讓美宇航局重新將注意力放到月球.在新聞發(fā)布會(huì)兩周之后，2009年10月9日，月球隕坑觀測(cè)與遙感衛(wèi)星成功碰撞月球南極“卡比尤斯(Cabeus)”隕坑，在碰撞隕坑形成的羽狀噴射物中，科學(xué)家用光譜儀探測(cè)到水存在的證據(jù).該光譜儀的紅外線(xiàn)分光鏡和紫外線(xiàn)分光鏡均發(fā)現(xiàn)了相關(guān)的證據(jù).研究小組估計(jì)在碰撞拋起的物質(zhì)中大約有100 kg的水.這一結(jié)果顯示在月球南極表層之下的土壤中水的含量還是比較豐富，科學(xué)家們猜測(cè)這是因?yàn)樵虑蚰蠘O的永久陰影區(qū)表面溫度足夠低，能夠冷凍保存水資源.

7 長(zhǎng)距離實(shí)物粒子量子糾纏信息傳輸

2009年1月23日美國(guó)一個(gè)研究小組在《Science》發(fā)表題為“Quantum Teleportation Between Distant Matter Qubits”(實(shí)物粒子量子比特長(zhǎng)距離傳輸)的論文，宣布實(shí)現(xiàn)在相距1 m的鐿離子之間傳輸量子比特，在此之前，科學(xué)家只能讓光子完成這種“超距離”信息傳送.雖然在光子之間可以傳送量子信息，但光子無(wú)法加以保存，也就不可能藉此制成任何實(shí)物量子信息記憶器件，即不可能由此制造出真正的量子計(jì)算機(jī).在其他采用實(shí)物粒子的實(shí)驗(yàn)中，離子彼此間可傳送量子狀態(tài)的距離僅為數(shù)微米.

美國(guó)馬里蘭州大學(xué)帕克分校的研究小組的實(shí)驗(yàn)方法是光子和實(shí)物粒子相結(jié)合，利用光子輔助實(shí)現(xiàn)實(shí)物粒子間量子狀態(tài)的遠(yuǎn)距離傳送.他們首先分別將兩個(gè)鐿離子置于兩個(gè)獨(dú)立的高真空電磁阱內(nèi)，然后選取該離子可測(cè)量的兩個(gè)基態(tài)來(lái)表示“0”、“1”，將之定義為量子比特.在激光束作用下，每個(gè)離子放射出一個(gè)光子，每對(duì)離子和光子發(fā)生量子糾纏.再使兩個(gè)光子通過(guò)光學(xué)形成量子糾纏，通過(guò)這樣的過(guò)程來(lái)使兩個(gè)鐿離子發(fā)生量子纏結(jié).

這樣研究人員在對(duì)其中一個(gè)離子進(jìn)行操作時(shí)，將能影響另一個(gè)離子的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)量子比特的傳輸.實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)離子間的距離為1 m，據(jù)稱(chēng)這個(gè)傳輸距離可以比較容易地加大.這種新技術(shù)很可能成為量子中繼器的基礎(chǔ)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信.

8 能捕捉聲音的仿真黑洞

據(jù)英國(guó)《新科學(xué)家》雜志報(bào)道，以色列物理學(xué)家創(chuàng)造了一個(gè)可捕獲聲音的仿真黑洞(黑洞模擬裝置)，并試圖借助這個(gè)仿真黑洞來(lái)研究“霍金輻射”.

玻色-愛(ài)因斯坦凝聚(BEC)是物質(zhì)的一種量子態(tài)，可產(chǎn)生超流體現(xiàn)象.在此之前，科學(xué)家已經(jīng)能夠讓BEC以超音速移動(dòng)，因此操縱BEC可能捕捉到聲子，從而仿真黑洞捕捉光子的一些行為，并藉此間接地研究霍金輻射.

2009年5月以色列理工學(xué)院的杰夫·斯蒂恩豪爾(Jeff Steinhauer)和同事在預(yù)印本文庫(kù)(arXiv.org)發(fā)布一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，首次展示了用聲學(xué)黑洞研究霍金輻射的可能.實(shí)驗(yàn)中，斯蒂恩豪爾等人將大約10萬(wàn)個(gè)帶電銣原子凝聚成BEC，然后在激光的幫助下使該BEC以超音速穿過(guò)一個(gè)電勢(shì)阱.這個(gè)超音速物質(zhì)流大約持續(xù)了8 ms，在這8 ms中這團(tuán)BEC就是能夠捕獲聲子的聲學(xué)黑洞.這個(gè)實(shí)驗(yàn)首次展示了憑借聲學(xué)黑洞研究霍金輻射的可能.

9 暗物質(zhì)存在的證據(jù)

一則“疑似”發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的新聞讓整個(gè)物理學(xué)界興奮起來(lái).美國(guó)“低溫暗物質(zhì)探測(cè)”(CDMS)項(xiàng)目組科學(xué)家2009年12月宣稱(chēng)，他們已經(jīng)捕獲到暗物質(zhì)粒子.如果這一發(fā)現(xiàn)最終得到證實(shí)，它將成為物理學(xué)領(lǐng)域最重要的發(fā)現(xiàn)之一.

低溫暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)(CDMS)小組稱(chēng)，他們可能直接探測(cè)到了暗物質(zhì).暗物質(zhì)都有著很大的運(yùn)動(dòng)速度，因?yàn)樗鼈兒苌俸推渌镔|(zhì)發(fā)生作用，所以沒(méi)有什么能讓它們慢下來(lái).科學(xué)家們希望暗物質(zhì)中的重粒子“弱作用重粒子”(WIMP)在高速穿過(guò)地球的過(guò)程中，能正巧撞在CDMS的探測(cè)器上.目前CDMS探測(cè)器已經(jīng)發(fā)展到第二代“CDMS-2”.CDMS-2位于美國(guó)明尼蘇達(dá)州的一個(gè)廢棄的鐵礦井中，深入地下780 m.上面的地層可以阻隔X射線(xiàn)和大多數(shù)宇宙線(xiàn).實(shí)驗(yàn)裝置的探測(cè)器靶是一個(gè)被冷卻到接近絕對(duì)零度的鍺塊，低溫消除了鍺分子本身的振動(dòng).科學(xué)家認(rèn)為，這樣就可以探測(cè)到WIMP對(duì)鍺原子核的擾動(dòng).為了隔絕任何“閑雜粒子”的侵?jǐn)_，CDMS被幾層防護(hù)裝置密封起來(lái)，其中一層是從一艘100多年前沉沒(méi)的法國(guó)沉船上打撈出來(lái)的4.5 cm厚度鉛塊.之所以用這種“文物”級(jí)的鉛塊，是因?yàn)榻?jīng)年累月，它的同位素衰變輻射已經(jīng)變得很弱了，可以避免它自身的輻射影響到鍺靶.這樣，鍺靶如果有微微的顫動(dòng)，那就很可能是穿越宇宙的暗物質(zhì)“WIMP”和鍺靶有了相互作用.在兩年的時(shí)間里，CDMS-2探測(cè)到了兩次微小的顫動(dòng).CDMS發(fā)布的消息根據(jù)在此.

但CDMS小組同時(shí)認(rèn)為，他們看到的兩次信號(hào)有可能只是背影噪音.因?yàn)閷?shí)驗(yàn)儀器極其精密，所以?xún)?nèi)部的某些擾動(dòng)也可能會(huì)被誤讀為對(duì)暗物質(zhì)“WIMP”的反應(yīng)，誤讀的可能性為25%.但CDMS小組表示如果得到了5個(gè)讀數(shù)，就可以作為找到暗物質(zhì)“WIMP”的鐵證.

10 LHC徘徊在地獄和天堂之間

2009年11月30日，LHC正式成為人類(lèi)歷史上最強(qiáng)大的加速器.在這天清晨，日內(nèi)瓦，LHC將質(zhì)子加速到1.18 TeV.在此之前的世界記錄是美國(guó)費(fèi)米研究中心的Tevatron加速器從2001年以來(lái)一直保持的0.98 TeV.這標(biāo)志著LHC接過(guò)Tevatron的接力棒成為“大”科學(xué)的代表.

巨額投入的“大”科學(xué)為人類(lèi)基礎(chǔ)科學(xué)的進(jìn)步做出了重要貢獻(xiàn)，如今在LHC身上承載了太多科學(xué)家對(duì)于物質(zhì)世界進(jìn)一步認(rèn)識(shí)的希望：尋找希格斯子，尋找超對(duì)稱(chēng)粒子，尋找反物質(zhì)……如果LHC完成了它的使命，那么它將是人類(lèi)科技史上的里程碑.物理學(xué)將藉此進(jìn)入一個(gè)新的天地.如果……將使“大”科學(xué)研究模式遭受重創(chuàng).在上世紀(jì)90年代，美國(guó)科學(xué)家曾雄心勃勃策劃建造“超級(jí)超導(dǎo)對(duì)撞機(jī)”，初期投資預(yù)計(jì)40億美元，粒子反應(yīng)通道直徑達(dá)3 m，長(zhǎng)度20多km，實(shí)現(xiàn)質(zhì)子對(duì)撞能量達(dá)40 TeV(1T=1012).倡導(dǎo)者認(rèn)為一旦建成可與1969年人類(lèi)登月壯舉相媲美.但隨著建設(shè)進(jìn)展，預(yù)算不斷攀升，預(yù)計(jì)高達(dá)93億美元，使得美國(guó)國(guó)會(huì)懷疑投資的價(jià)值，雖然科學(xué)家一直在為之奔走，但這項(xiàng)工程還是在投資20多億美元之后黯然下馬.

2010年，LHC將使“大”科學(xué)家在地獄和天堂之間徘徊.