2009國際物理十大進展

2009年12月21日，英國皇家物理學會(IOP)所屬國際知名電子期刊《物理世界》評出2009年度國際物理十大進展.

1 首個完整的“量子計算機”

2009年8月6日美國國家標準與技術協(xié)會(NIST)所屬一個研究小組在《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.在論文中該小組說他們制作了一個小型器件，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.雖然在此之前科學家曾示范過關于量子信息的單個或組合的處理方法，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域中的研究者認為是邁向實用量子計算機的重要一步.

2 “頂”級的發(fā)現(xiàn)

2009年3月4日《物理評論快報》發(fā)表費米實驗室的一篇論文宣布在粒子對撞實驗中觀察到了單頂夸克的產生.單頂夸克的發(fā)現(xiàn)證實了粒子物理學中包括夸克總數(shù)在內的一些重要參數(shù)，對費米實驗室Tevatron加速器正在進行的尋找 “希格斯子”的工作有重要意義.此前，頂夸克只是在強核力作用下才能觀察到，這種相互作用可導致產生一對頂夸克.單頂夸克的產生涉及到弱核力，因此很難用實驗進行證明.

單頂夸克的發(fā)現(xiàn)距1995年首次發(fā)現(xiàn)頂夸克已經(jīng)過了大約14年的時間.尋找單頂夸克的難度猶如大海撈針，因為每200億次質子-反質子碰撞中只有一次才能產生一個單頂夸克，而且這些非常罕見的信號還很容易與那些發(fā)生幾率高得多的其他“背景”進程相混淆.費米實驗室的研究報告中說發(fā)現(xiàn)單頂夸克誤判信號的概率為大約四百萬分之一，這使研究人員可以大膽宣稱發(fā)現(xiàn)的是真實的單頂夸克.

3 新型自旋電子學器件的曙光

目前的電子技術大都基于對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之中得到應用外，長期未得到開發(fā)利用.荷蘭特溫特大學的Ron Jansen與合作者于2009年11月在《自然》上發(fā)表論文報告說，他們首次在室溫下將自旋電子注入硅基半導體器件，且此自旋狀態(tài)保持了一定時間，這就是說利用電子自旋屬性的硅基“自旋電子學器件”有望應運而生，將來有可能開發(fā)出單個器件在納米尺度，速度在10～100 GHz硅基自旋電子學集成電路，從而催生出新一代計算機.

根據(jù)自旋軸相對于周圍磁場的指向，電子自旋具有向上和向下兩個狀態(tài)，如果能用這兩種狀態(tài)來在數(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，運算速度也可以大大加快.可以說基于自旋電子學器件的計算機是未來計算機發(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)境才能在計算機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器件的發(fā)展.

在特溫特大學的研究報告中說，他們在實驗中發(fā)現(xiàn)只要在半導體硅片和磁性材料之間插入厚度不到1 nm的氧化鋁薄膜，再施加一個電場，那么自旋極化的電子就會從磁性材料向硅片移動，氧化鋁薄膜會起到過濾器的作用，只有某個特定自旋狀態(tài)的電子能夠通過.只有當有序的自旋極化電子注入硅片時，才能在室溫條件下使硅片中的自旋極化電子的狀態(tài)保持一段相對較長的時間.

4 石墨烷的首次亮相

石墨烯自從問世以來，它的諸多優(yōu)異特性使其成為科學家的寵兒.2009年1月30日出版的《科學》雜志上，英國曼徹斯特大學物理學與天文學院的安德烈·格伊姆教授和科斯特雅·諾沃塞洛夫博士宣布，他們在石墨烯基礎上開發(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電性能.

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

科斯特亞·諾沃塞洛夫說：“石墨烯是一種極佳的導體，可被廣泛的應用于諸多電子設備當中，如果可以通過化學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用前景.我們的工作已經(jīng)證明了這種方法的可行性，打開了制造石墨烯化學衍生物的大門，這將進一步拓寬石墨烯的應用空間.”

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》雜志上，德國亥姆霍茲聯(lián)合會研究中心的研究人員發(fā)表論文宣稱，他們在德國德累斯頓大學、圣安德魯斯大學、拉普拉塔大學及英國牛津大學的協(xié)作下，首次觀測到磁單極子在一種叫做自旋冰的磁性材料中的存在.

英國物理學家保羅·狄拉克早在1931年就利用數(shù)學公式預言磁單極子存在于攜帶磁場的管(所謂的狄拉克弦)的末端.當時他認為既然帶有基本電荷的電子在宇宙中存在，那么理應帶有基本“磁荷”的粒子存在，從而啟發(fā)了許多物理學家開始了他們尋找磁單極子的工作.如果德國人的工作被最終確認，那么這將是本世紀最重大的科學發(fā)現(xiàn)之一.

6 月球水資源調查

在9月25日出版的《科學》雜志上刊登了來自繞月球飛行或是途中經(jīng)過月球的三個不同探測器的觀測結果，結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.三個提供月球有水證據(jù)的三個探測器分別是繞月的印度月船一號，和途中經(jīng)過月球的美國卡西尼號和深度撞擊號探測器.三個探測器全部使用同一類儀器，研究水和羥基對特定光波長的吸收情況.三臺儀器出現(xiàn)同樣問題的概率幾乎為零，因此可以證實月球表面的確存在水和羥基.

美宇航局的新聞發(fā)布會也對這項研究做了說明，稱這一發(fā)現(xiàn)可能會讓美宇航局重新將注意力放到月球.在新聞發(fā)布會兩周之后，2009年10月9日，月球隕坑觀測與遙感衛(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，科學家用光譜儀探測到水存在的證據(jù).該光譜儀的紅外線分光鏡和紫外線分光鏡均發(fā)現(xiàn)了相關的證據(jù).研究小組估計在碰撞拋起的物質中大約有100 kg的水.這一結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，科學家們猜測這是因為月球南極的永久陰影區(qū)表面溫度足夠低，能夠冷凍保存水資源.

7 長距離實物粒子量子糾纏信息傳輸

2009年1月23日美國一個研究小組在《Science》發(fā)表題為“Quantum Teleportation Between Distant Matter Qubits”(實物粒子量子比特長距離傳輸)的論文，宣布實現(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，但光子無法加以保存，也就不可能藉此制成任何實物量子信息記憶器件，即不可能由此制造出真正的量子計算機.在其他采用實物粒子的實驗中，離子彼此間可傳送量子狀態(tài)的距離僅為數(shù)微米.

美國馬里蘭州大學帕克分校的研究小組的實驗方法是光子和實物粒子相結合，利用光子輔助實現(xiàn)實物粒子間量子狀態(tài)的遠距離傳送.他們首先分別將兩個鐿離子置于兩個獨立的高真空電磁阱內，然后選取該離子可測量的兩個基態(tài)來表示“0”、“1”，將之定義為量子比特.在激光束作用下，每個離子放射出一個光子，每對離子和光子發(fā)生量子糾纏.再使兩個光子通過光學形成量子糾纏，通過這樣的過程來使兩個鐿離子發(fā)生量子纏結.

這樣研究人員在對其中一個離子進行操作時，將能影響另一個離子的狀態(tài)，從而實現(xiàn)量子比特的傳輸.實驗中，兩個離子間的距離為1 m，據(jù)稱這個傳輸距離可以比較容易地加大.這種新技術很可能成為量子中繼器的基礎，進而實現(xiàn)遠距離量子通信.

8 能捕捉聲音的仿真黑洞

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

玻色-愛因斯坦凝聚(BEC)是物質的一種量子態(tài)，可產生超流體現(xiàn)象.在此之前，科學家已經(jīng)能夠讓BEC以超音速移動，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月以色列理工學院的杰夫·斯蒂恩豪爾(Jeff Steinhauer)和同事在預印本文庫(arXiv.org)發(fā)布一項實驗結果，首次展示了用聲學黑洞研究霍金輻射的可能.實驗中，斯蒂恩豪爾等人將大約10萬個帶電銣原子凝聚成BEC，然后在激光的幫助下使該BEC以超音速穿過一個電勢阱.這個超音速物質流大約持續(xù)了8 ms，在這8 ms中這團BEC就是能夠捕獲聲子的聲學黑洞.這個實驗首次展示了憑借聲學黑洞研究霍金輻射的可能.

9 暗物質存在的證據(jù)

一則“疑似”發(fā)現(xiàn)暗物質的新聞讓整個物理學界興奮起來.美國“低溫暗物質探測”(CDMS)項目組科學家2009年12月宣稱，他們已經(jīng)捕獲到暗物質粒子.如果這一發(fā)現(xiàn)最終得到證實，它將成為物理學領域最重要的發(fā)現(xiàn)之一.

低溫暗物質探測實驗(CDMS)小組稱，他們可能直接探測到了暗物質.暗物質都有著很大的運動速度，因為它們很少和其他物質發(fā)生作用，所以沒有什么能讓它們慢下來.科學家們希望暗物質中的重粒子“弱作用重粒子”(WIMP)在高速穿過地球的過程中，能正巧撞在CDMS的探測器上.目前CDMS探測器已經(jīng)發(fā)展到第二代“CDMS-2”.CDMS-2位于美國明尼蘇達州的一個廢棄的鐵礦井中，深入地下780 m.上面的地層可以阻隔X射線和大多數(shù)宇宙線.實驗裝置的探測器靶是一個被冷卻到接近絕對零度的鍺塊，低溫消除了鍺分子本身的振動.科學家認為，這樣就可以探測到WIMP對鍺原子核的擾動.為了隔絕任何“閑雜粒子”的侵擾，CDMS被幾層防護裝置密封起來，其中一層是從一艘100多年前沉沒的法國沉船上打撈出來的4.5 cm厚度鉛塊.之所以用這種“文物”級的鉛塊，是因為經(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，那就很可能是穿越宇宙的暗物質“WIMP”和鍺靶有了相互作用.在兩年的時間里，CDMS-2探測到了兩次微小的顫動.CDMS發(fā)布的消息根據(jù)在此.

但CDMS小組同時認為，他們看到的兩次信號有可能只是背影噪音.因為實驗儀器極其精密，所以內部的某些擾動也可能會被誤讀為對暗物質“WIMP”的反應，誤讀的可能性為25%.但CDMS小組表示如果得到了5個讀數(shù)，就可以作為找到暗物質“WIMP”的鐵證.

10 LHC徘徊在地獄和天堂之間

2009年11月30日，LHC正式成為人類歷史上最強大的加速器.在這天清晨，日內瓦，LHC將質子加速到1.18 TeV.在此之前的世界記錄是美國費米研究中心的Tevatron加速器從2001年以來一直保持的0.98 TeV.這標志著LHC接過Tevatron的接力棒成為“大”科學的代表.

巨額投入的“大”科學為人類基礎科學的進步做出了重要貢獻，如今在LHC身上承載了太多科學家對于物質世界進一步認識的希望：尋找希格斯子，尋找超對稱粒子，尋找反物質……如果LHC完成了它的使命，那么它將是人類科技史上的里程碑.物理學將藉此進入一個新的天地.如果……將使“大”科學研究模式遭受重創(chuàng).在上世紀90年代，美國科學家曾雄心勃勃策劃建造“超級超導對撞機”，初期投資預計40億美元，粒子反應通道直徑達3 m，長度20多km，實現(xiàn)質子對撞能量達40 TeV(1T=1012).倡導者認為一旦建成可與1969年人類登月壯舉相媲美.但隨著建設進展，預算不斷攀升，預計高達93億美元，使得美國國會懷疑投資的價值，雖然科學家一直在為之奔走，但這項工程還是在投資20多億美元之后黯然下馬.

2010年，LHC將使“大”科學家在地獄和天堂之間徘徊.