Physics World评选出2020年物理学十大突破
更新日期：2021-01-0512月10日，英国物理学会（IOP）旗下新闻网站《物理世界》（Physics World）公布了评选出的2020年度物理学领域的十大科研突破。来自荷兰德国等地的科学家组成的联合团队因“成功研制出直接带隙硅基光发射器”而获得年度突破大奖。
直接带隙硅基光发射器研制成功
来自荷兰和德国的科学家研制出了一种直接带隙硅基材料，其发出的光可应用于通信领域（Nature, 2020, 580, 7802, 205-209, DOI: 10.1038/s41586-020-2150-y）。
正常情况下，硅的电子带隙是非直接的，这意味着硅发射光的能力较弱，且必须和其他半导体材质结合起来才能制造有效的光电设备。
为开发出直接带隙，研究人员必须研制出一种拥有六角形晶体结构（而非寻常钻石结构）的硅锗合金晶体。
在这项新研究中，科学家们研制出了发射红外光的hex-Si1-xGex合金纳米导线。研究人员表示，这种新型硅基材料除应用于光学通信和光学计算领域之外，还能用来开发化学传感器。
hex-Si1-xGex合金，图来源：Nature
给量子测量过程拍快照
来自瑞典、德国、西班牙等国家的科学家，运用一系列“弱”测量来探究量子力学中叠加态坍缩的本质。
虽然测量操作通常会导致量子系统变成确定的经典状态，但这一项新研究表明，某些测量不会破坏所有量子信息。这个团队在以单个锶离子为对象展开的实验中拍摄了一系列“快照”，结果表明，测量不是瞬间把量子叠加态变成经典状态的,而是逐步做到这点的。因为从原理上说，“弱”测量过程中能够做到在不破坏量子态的前提下,探测这些状态的误差，所以这项工作或许有助于改善量子计算机的误差校正能力。
电场中捕获的锶离子，离子的测量仅持续百万分之一秒，图来源：F. Pokorny et al., Stockholm University
在液晶内观测到铁电向列相
科罗拉多大学博尔德分校Noel A. Clark带领的研究团队首次在在液晶中发现了铁电向列相（PNAS, 2020, 117, 25, 14021-14031, DOI: 10.1073/pnas.2002290117）。在这种相内，液晶特定团块或区域内的所有分子都大致指向相同的方向——这种现象就是极性排序。早在1910年代，Peter Debye和Max Born就提出了相关假说，100多年后终于得到证实！
在新研究中，科学家们发现，当在一种名为RM734的有机分子上施加弱电场时，包含液晶的细胞边缘会出现一系列明亮的颜色。研究证明，相比传统向列相液晶，铁电向列相RM734对电场更敏感。
虽然科学家还需进一步发现能在室温环境下表现出这种现象的物质，但铁电向列相物质无疑能在新型显示屏、重构计算机内存等多个领域找到用武之地。
随着研究人员施加小的电场，这种新发现的液晶相中的颜色发生了变化
新型薄膜钙钛矿探测器大幅削减了成像剂量
洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员利用薄膜钙钛矿开发出了一种敏锐的X射线探测器，其灵敏度比传统硅探测器高几个数量级，且辐射和成本均大大降低（Science Advances, 2020, 6, 15, eaay0815, DOI: 10.1126/sciadv.aay0815）。
研究人员使用了同步加速光束线来表征这种探测器。并且发现，就高能X射线来说，钙钛矿物质的X射线吸收系数平均要比硅高10～40倍。他们还证明，这种新型固态X射线探测器且只需用极低剂量的辐射就能生成医学图像和牙科图像。
图来源：Science Advances
第一个室温超导体问世
Ranga P. Dias研究团队在温度高达15 ℃的高压富氢材料内观察到了超导现象（Nature, 2020, 586, 7829, 373-377, DOI: 10.1038/s41586-020-2801-z）。超导体能以零电阻导电，应用广泛，比如核磁共振扫描仪使用的高场磁体以及粒子加速器。但超导体在工作时必须冷却到极低的温度，成本高且要使用氦，因此，凝聚态物理学家一直期望开发出室温下的超导材料。
在最新研究中，科学家制作的碳硫氢化材料将此前的超导温度纪录提升了大约35 ℃，首次在室温下观测到了超导现象，不过，这还需要高达260 GPa的高压，研究人员认为，改变材料的化学组成或许能减少所需压力。
罗切斯特大学的超导实验室。图来源：Adam Fenster
发现庞大镜体的量子相关性
MIT的Haocun Yu和Lee McCuller携手来自LIGO（激光干涉引力波天文台）科学合作组成员，证明了量子尺度相关性可以在重达数十千克的宏观物体上留下痕迹（Nature, 2020, 583, 7814, 43-47, DOI: 10.1038/s41586-020-2420-8）。
他们研究了LIGO干涉仪发出的激光束与其镜体（每个镜体都重达40千克）之间的细微相互作用。研究人员观察到,镜体因为辐射噪声而移动，这正是海森堡不确定性原理导致的结果。他们在使用激光的压缩真空态时，证明了量子噪声会下降到标准量子极限之下，这证明了激光束和镜体之间的量子相关性。
他们的研究报告指出，尽管微观量子波动如此微小，但仍可以“踢动”一个像LIGO里重达40公斤的镜子一样大的物体，使这个物体产生了很小幅度的移动，而且，他们测量出了这一幅度——LIGO探测器中的量子噪声足以将大型反射镜移动10-20米，这种位移是由量子力学所预测的，对于这种大小的宏观物体，科学家们过去从未进行过此类测量。
这项研究可以提升LIGO、欧洲“处女座”引力波干涉仪，以及未来建造的天文台对引力波的观测能力。
将扭旋电子学应用于光子
一支国际团队证明了在二维三氧化钼的扭曲层中，光可能实现无色散及无衍射传播，且分辨率比衍射极限超过一个数量级（Nature, 2020, 582, 7811, 209-213, DOI: 10.1038/s41586-020-2359-9）。
他们的研究建立在发现“魔角”石墨烯的基础上，通过使用二维材料的扭曲层来改变光子（而非电子）的传播性质。他们指出，“扭旋电子学”现已催生出一系列有关超导性和电子状态的研究，全新的“扭曲光子学”也有望在纳米成像、量子光学、量子计算和低能光学信号处理等方面大显身手。
混合粒子束提升了粒子疗法的精准度
Joao Seco和Simon Jolly等人组成的联合研究团队证明，混合粒子束可以让癌症治疗和疗后监测同时进行（Physics in Medicine and Biology, 2020, 65, 5, DOI: 10.1088/1361-6560/ab6e52）。
他们的基本思想是利用一种既含有碳离子又含有氦离子的粒子束。其中，碳离子可对目标肿瘤进行照射治疗；而氦离子则会直接穿透病人身体，因而可以用来成像。
研究人员在海德堡离子束治疗中心利用骨盆模体开展实验，结果证明了运用混合粒子束监控人体内部及局部解剖学变化的潜力，可使粒子疗法变得更精准，最终给癌症病患带去更好的疗效。
科学家为声速设置上限
来自英国和俄罗斯的研究人员通过计算证明，声音在固态和液态物质中传播速度的上限取决于两个基础常数：精细结构常数以及质子-电子的质量比（Science Advances, 2020, 6, 41, eabc8662, DOI: 10.1126/sciadv.abc8662）。
他们用大量不同材料进行实验，证实声波速度随传播介质内原子质量的增加而下降，并由此推测，声波在固态氢内传播速度最快，且通过计算得出了声波在固态氢内接近理论极限值的传播速度：36公里/秒。
研究人员表示：“了解声波在固体内的特性，可以让多个学科领域受益，如地震学家可以利用地球内部深处地震引发的声波来了解地震的本质以及地球的组成，而且声波与重要的弹性特性（包括抗压能力）有关，这也令材料科学家感兴趣。”
Borexino探测到新型太阳中微子
意大利太阳中微子实验（Borexino）合作组在太阳的碳-氮-氧循环（CNO循环）中探测到了一种以前未曾见过的中微子——CNO中微子（Nature, 587, 7835, 577-582, DOI: 10.1038/s41586-020-2934-0）。
Borexino探测器由278吨极其纯净的液态闪烁体构成。研究人员花大力气将Borexino探测器的背景辐射影响降到了最低，随后有了最新发现。这个观测结果证实了科学家于80年前提出的恒星核合成理论，同时也能激励物理学家使用下一代中微子探测器解决太阳的“金属丰度之谜”——一个有关太阳内部碳、氮、氧丰度的问题。