12月8日，英國《物理世界》雜志公布了2022年度十大突破，涵蓋從量子、醫學物理學、天文學到凝聚態物質等各個方面。這十項突破是由《物理世界》編輯小組從今年在該雜志網站上發布的涵蓋物理學所有領域的數百項研究中精選出來的。
開創超冷化學新紀元
冷卻燈：約翰·道爾團隊使用的實驗裝置。圖源：約翰·道爾
中國科學技術大學的潘建偉、趙博和美國哈佛大學的約翰·道爾等科學家創造了第一個超冷多原子分子。
盡管30多年來物理學家一直在將原子冷卻到絕對零度以上的一小部分，并且第一個超冷雙原子分子出現在2000年代中期，但制造包含3個或更多原子的超冷分子的目標依然是很難實現。
中國科學技術大學和哈佛大學團隊使用不同且互補的技術，分別制作了220nK的3原子鈉鉀分子樣品和110μK的氫氧化鈉樣品。他們的成就為物理學和化學的新研究鋪平了道路，超冷化學反應的研究、量子模擬的新形式以及基礎科學的測試都得益于這些多原子分子平臺，從而也更接近于實現。
觀察四中子
德國達姆施塔特技術大學核物理研究所的梅塔爾·杜爾和SAMURAI合作組織的其他成員，觀察了四中子并證明了不帶電的核物質的存在。
四中子顧名思義，由四個中子組成。四中子是通過在液態氫靶上發射氦8原子核而產生的。碰撞可將一個氦8原子核分裂成一個α粒子（兩個質子和兩個中子）和一個四中子。通過檢測反沖的α粒子和氫原子核，團隊計算出這四個中子以未結合的四中子狀態存在的時間僅為10的負22次方秒。觀察結果的統計顯著性大于5σ，超過了粒子物理學發現的門檻。該團隊計劃研究四中子中的單個中子，并尋找包含六個和八個中子的新粒子。
超高效發電
美國麻省理工學院和美國國家可再生能源實驗室的艾莉娜·拉坡亭、阿塞根·亨利及其同事構建了效率超過40%的熱光伏（TPV）電池。
新型TPV電池是首款將紅外光轉化為電能的固態熱力發動機，比基于渦輪的發電機更有效，并且它可在各種可能的熱源下運行。這些熱源包括熱能存儲系統、太陽輻射（通過中間輻射吸收器）和廢熱以及核反應或燃燒。因此，該設備可成為更清潔、更環保的電網的重要組成部分，以及對可見光太陽能光伏電池的補充。
最快的光電開關
德國馬克斯·普朗克量子光學研究所和德國慕尼黑大學的馬庫斯·奧西安德、馬丁·舒爾茨及其同事，聯合奧地利維也納科技大學、格拉茨科技大學和意大利納米技術研究所，定義和探索了物理設備中光電開關的“速度限制”。
該團隊使用僅持續一飛秒（10的負15次方秒）的激光脈沖以實現每秒運行1000萬億次（1拍赫茲）的開關所需的速度，將介電材料樣品從絕緣狀態切換為導電狀態。盡管驅動這種超快速開關所需的公寓大小的設備意味著它不會很快出現在實際應用中，但結果暗示了經典信號處理的基本限制，并表明拍赫茲固態光電技術在原則上是可行的。
打開宇宙的新窗口
壯觀的景象：韋布望遠鏡看到的船底座星云。圖源：NASA、ESA、CSA和STScI
美國國家航空航天局（NASA）、加拿大航天局和歐洲航天局公布了詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）拍攝的第一張圖片。
經過多年的延誤和成本上漲，價值100億美元的JWST終于在2021年12月25日發射。對于許多空間探測器來說，發射是任務中最危險的部分，但JWST還必須經受住一系列危險的深空拆包操作，其中包括展開其6.5米的主鏡以及展開其網球場大小的遮陽板。
在發射之前，工程師們發現了344個“單點”故障，這些故障可能會阻礙望遠鏡的任務，或使其無法使用。值得注意的是，在JWST的科學儀器投入使用后，沒有遇到任何問題，望遠鏡很快開始收集數據并捕捉宇宙的壯觀圖像。
JWST的第一張圖片是由美國總統拜登在白宮的一次特別活動中公布的，此后發布了許多令人眼花繚亂的圖片。
首次用于人體的FLASH質子治療
美國辛辛那提大學的艾米麗·多爾蒂團隊致力于FAST-01試驗，以進行FLASH放療的首次臨床試驗和FLASH質子治療的首次人體使用。
FLASH放療是一種新興的治療技術，它以超高劑量率進行輻射，這種方法被認為可保護健康組織，同時仍能有效殺死癌細胞。使用質子提供超高劑量率輻射將允許治療位于身體深處的腫瘤。
該試驗包括10名手臂和腿部骨轉移疼痛的患者，他們接受了單次質子治療，劑量為40Gy/s或更高，大約是傳統光子放射治療劑量率的1000倍。該團隊展示了臨床工作流程的可行性，并表明FLASH質子療法在緩解疼痛方面與傳統放射療法一樣有效，而且不會引起意想不到的副作用。
完善光傳輸和吸收
奧地利維也納技術大學和法國雷恩大學團隊創造了一種抗反射結構，可通過復雜介質實現完美傳輸；而以色列耶路撒冷希伯來大學領導的一項研究，旨在開發一種“抗激光”，使任何材料都能從各種角度吸收所有光線。
在第一項研究中，研究人員設計了一種抗反射層，該層經過數學優化以匹配波從物體前表面反射的方式。將這種結構放置在隨機無序的介質前面可完全消除反射，并使物體對所有入射光波都是半透明的。
在第二項研究中，團隊開發了一種基于一組鏡子和透鏡的相干完美吸收器，可將入射光捕獲在空腔內。由于精確計算的干涉效應，入射光束與鏡子之間反射回來的光束發生干涉，使反射光束幾乎完全消失。
冠軍半導體：立方砷化硼
冠軍半導體：立方砷化硼的球棒模型。圖源：麻省理工學院
兩個獨立的團隊，一個由美國麻省理工學院的陳剛和休斯敦大學的任志鋒領導；另一個由中國國家納米科學中心的劉新風和休斯敦大學的包吉明和任志鋒領導，發現立方砷化硼是科學界已知的最好的半導體之一。
這兩個小組進行的實驗表明，與構成現代電子產品基礎的硅等半導體相比，該材料的小而純區域具有更高的熱導率和空穴遷移率。硅的低空穴遷移率限制了硅器件的運行速度，而其低導熱性會導致電子器件過熱。
相比之下，立方砷化硼長期以來一直被預測在這些措施上優于硅，但研究人員一直在努力制造足夠大的材料單晶樣品來測量其特性。兩個團隊都克服了這一挑戰，使立方砷化硼的實際應用更近了一步。
改變小行星的軌道
NASA和約翰斯·霍普金斯大學應用物理實驗室通過成功改變小行星的軌道首次展示了“動能撞擊”。
雙小行星重定向測試（DART）飛船于2021年11月發射，是有史以來首次執行調查小行星動力學影響的任務。它的目標是一個雙星近地小行星系統，由一個直徑為160米的小行星迪莫弗斯組成，它圍繞著一顆更大的780米直徑的小行星迪迪莫斯運行。
經過1100萬公里的小行星系統之旅后，DART在9月以大約6公里/秒的速度成功撞擊了迪莫弗斯。幾天后，NASA證實DART成功地將迪莫弗斯的軌道改變了32分鐘——將軌道從11小時55分鐘縮短到11小時23分鐘。
這一變化比NASA定義的最小成功軌道周期變化的73秒大25倍。結果還將用于評估如何最好地應用動能沖擊技術來保衛人類的星球。
檢測引力的阿哈羅諾夫—玻姆效應
美國斯坦福大學研究團隊檢測了引力的阿哈羅諾夫—玻姆效應。
最初的阿哈羅諾夫—玻姆效應于1949年首次預測，是一種量子現象，即帶電粒子的波函數即使處于零電場和零磁場區域時也會受到電勢或磁勢的影響。自1960年代以來，人們通過分裂一束電子并將兩束電子束發送到包含完全屏蔽磁場的區域的任一側來觀察到這種效應。當光束在檢測器處重新組合時，阿哈羅諾夫—玻姆效應顯示為光束之間的干涉。
斯坦福大學物理學家已使用超冷原子觀察到了這種效應的引力版本。該團隊將原子分成兩組，每組相距約25厘米，其中一組與大質量物質發生引力相互作用。當重新組合時，原子顯示出與引力的阿哈羅諾夫—玻姆效應一致的干涉。該效應可用于以非常高的精度確定牛頓的萬有引力常數。（科技日報記者 張夢然）
