北京时间12月8日，Physics World宣布2022年的十大年度突破，这些突破涵盖了从量子、医学物理、天文学和凝聚态物质的各个方面。

这10项突破是由Physics World编辑小组从今年发表在网站上的数百项物理学领域的最新研究中筛选出来的，需要满足以下条件：

• 在2022年被Physics World报道过
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• 知识或理解方面的重大进展
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• 工作对科学进步或现实世界应用发展的重要性
• 
  
• 对Physics World的读者具有普遍意义

以下是2022年的十大突破，排名不分先后。

01 迎来超冷化学的新时代

冷却光：约翰-多伊尔及其同事使用的实验装置 ｜ 图源：Courtesy: John Doyle)

感谢中国科学技术大学（USTC）赵博、潘建伟及其同事，美国哈佛大学的约翰-多伊尔及其同事利用相干合成方法在国际上利用相干合成方法在国际上首次制备了高相空间密度的超冷三原子分子系综。

02 观测到理论预言的四中子状态

感谢德国达姆施塔特工业大学核物理研究所的Meytal Duer和SAMURAI合作组织的其他成员，他们首次通过实验观测并确认了四中子体系，并证明了不带电的核物质的存在，即使寿命很短。

四中子由四个中子组成，是在日本理化学研究所西那中心的放射性离子束工厂发现的。四中子是通过向一个液态氢的目标发射氦-8核而产生的。碰撞可以将一个氦-8原子核分裂成一个α粒子（两个质子和两个中子）和一个四连发电子。

通过探测后坐的α粒子和氢核，研究小组发现，四个中子以非结合的四中子状态存在了仅仅10-22秒。该小组现在计划研究四中子中的单个中子，并寻找含有六个和八个中子的新粒子。

03 将热光伏发电效率提到40%

感谢美国麻省理工学院和国家可再生能源实验室的Alina LaPotin、Asegun Henry及其同事，他们建造了一种效率超过40%的热光伏（TPV）电池。

新的TPV电池是第一种将红外光转化为电能的固态热引擎，比基于涡轮的发电机更有效，而且它可以在广泛的可能热源下运行。这些包括热能储存系统、太阳辐射（通过一个中间辐射吸收器）和废热以及核反应或燃烧。因此，该装置可以成为更清洁、更绿色的电网的一个重要组成部分，并成为可见光太阳能光伏电池的补充。

04 最快的光电子开关

感谢Marcus Ossiander, Martin Schultze和德国马克斯-普朗克量子光学研究所和慕尼黑大学、奥地利维也纳技术大学和格拉茨技术大学以及意大利CNR NANOTEC纳米技术研究所的同事，他们定义并探索了物理设备中光电开关的 「速度极限」。

该团队使用仅持续一飞秒（10⁻¹⁵秒）的激光脉冲，以实现每秒操作1000万亿次（1帕赫兹）的开关所需的速度，将一种介电材料样品从绝缘状态切换到导电状态。尽管驱动这种超高速开关所需的公寓大小的仪器意味着它不会很快出现在实际设备中，但这些结果意味着经典信号处理的一个基本限制，并表明，在原则上，超高频固态光电子学是可行的。

05 打开宇宙的新窗口

船底座星云壮观的景象：JWST看到的船底座星云 ｜ 图源：NASA,ESA,CSAandSTScI

感谢为了詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）的部署和首批图像的美国宇航局、加拿大航天局和欧洲航天局。

经过多年的延迟和成本上涨，耗资100亿美元的JWST终于在2021年12月25日发射。对于许多太空探测器来说，发射是任务中最危险的部分，但JWST还必须经受住一系列危险的深空拆包动作，其中包括展开其6.5米的主镜以及展开其网球场大小的遮阳板。

在发射之前，工程师们确定了344个「单点」故障，这些故障可能会妨碍天文台的任务，或者更糟糕的是，使其无法使用。值得注意的是，没有遇到任何问题，在JWST的科学仪器投入使用后，观测站很快就开始采集数据，并捕捉到了壮观的宇宙图像。

美国总统拜登在白宫的一个特别活动上宣布了第一张JWST图片，此后又发布了许多令人眼花缭乱的图片。该天文台预计将运行到2030年代，并且已经开始为天文学带来革命性的变化。

06 首次人体FLASH质子治疗

感谢美国辛辛那提大学的EmilyDaugherty和从事FAST-01试验的合作者，他们进行了第一个FLASH放射疗法的临床试验，并首次在人体中使用FLASH质子疗法。

FLASH放疗是一种新兴的治疗技术，它以超高的剂量率进行辐射，这种方法被认为在保留健康组织的同时仍然有效地杀死癌细胞。使用质子来传递超高剂量率的辐射，可以治疗位于身体深处的肿瘤。

该试验包括10名手臂和腿部有疼痛性骨转移的患者，他们接受了以40 Gy/s或更高速度进行的单一质子治疗--大约是传统光子放疗剂量率的1000倍。该团队证明了临床工作流程的可行性，并表明FLASH质子疗法在缓解疼痛方面与传统放疗一样有效，而不会引起意想不到的副作用。

07 完善光的传输和吸收

感谢奥地利维也纳技术大学的Stefan Rotter和法国雷恩大学的Matthieu Davy领导的团队，他们创造了一种抗反射结构，能够在复杂的介质中实现完美的传输；同时感谢Rotter和以色列耶路撒冷希伯来大学的Ori Katz领导的合作，他们开发了一种「反激光」，使任何材料都能从广泛的角度吸收所有光线。

在第一次调查中，研究人员设计了一个抗反射层，该层在数学上进行了优化，以匹配波从一个物体的正面反射的方式。将这种结构放在一个随机无序的介质前面，可以完全消除反射，使物体对所有进入的光波都是半透明的。

在第二项研究中，该团队开发了一个相干的完美吸收器，它围绕着一组镜子和透镜，将进入的光线困在一个空腔内。由于精确计算的干涉效应，入射光束与镜子之间反射回来的光束发生了干涉，因此反射的光束几乎完全熄灭了。

08 立方砷化硼是一种冠军半导体

冠军半导体：立方砷化硼的球棍表示 ｜ 图源：Courtesy:ChristineDaniloff/MIT

感谢美国麻省理工学院的陈刚和国家纳米科学与技术中心的刘新风领导的独立团队，他们展示了立方砷化硼是科学界已知的最佳半导体之一。

这两个小组所做的实验表明，这种材料的小而纯的区域具有比构成现代电子产品基础的硅等半导体高得多的热导率和空穴迁移率。硅的低空穴迁移率限制了硅设备的运行速度，而其低热导率则导致电子设备过热。

相比之下，立方砷化硼长期以来一直被预测在这些方面优于硅，但研究人员一直在努力创造足够大的单晶材料样本来测量其特性。然而现在，这两个团队现在已经克服了这一挑战，使立方砷化硼的实际使用更近一步。

09 改变一个小行星的轨道

感谢为美国国家航空航天局和美国约翰霍普金斯应用物理实验室通过成功改变小行星的轨道而首次展示的「动能冲击」。

2021年11月发射的双小行星重定向测试（DART）飞船是有史以来第一次研究小行星动能撞击的任务。它的目标是一个双体近地小行星系统，包括一个直径160米的天体，名为Dimorphos，围绕一个直径780米的较大小行星Didymos运行。

在前往该小行星系统的1100万公里旅程之后，10月，DART在以大约6公里/秒的速度飞行时成功撞击了Dimorphos。几天后，美国宇航局证实，DART成功地将迪莫弗斯的轨道改变了32分钟，将轨道从11小时55分的轨道缩短到11小时23分。

这一变化比美国宇航局定义的最小成功改变轨道周期的73秒多出约25倍。这些结果也将被用来评估如何最好地应用动能撞击技术来保卫我们的星球。

10 探测重力的阿哈罗诺夫-博姆效应

感谢美国斯坦福大学的Chris Overstreet, Peter Asenbaum, Mark Kasevich 及其同事，他们探测到了重力的阿哈罗诺夫-博姆效应。

最初的阿哈罗诺夫-博姆效应在1949年首次被预测，它是一种量子现象，即带电粒子的波函数受到电势或磁势的影响，即使该粒子处于零电场和磁场的区域。自20世纪60年代以来，人们通过分裂一束电子并将两束电子送至含有完全屏蔽的磁场的区域的两侧来观察这一效应。当这两束电子在一个检测器上重新结合时，阿哈罗诺夫-博姆效应被显示为两束电子之间的干涉。

现在，斯坦福大学的物理学家使用超冷原子观察到了这种效应的引力版本。该研究小组将原子分成两组，两组之间相隔约25厘米，其中一组与一个大质量的物体发生引力作用。当重新组合时，原子显示出一种干扰，与阿哈罗诺夫-博姆效应的引力一致。该效应可用于确定牛顿的引力常数，精度非常高。

原文链接：

https://physicsworld.com/a/physics-world-reveals-its-top-10-breakthroughs-of-the-year-for-2022/