冷却灯：约翰·道尔团队使用的实验装置。图篇来源：约翰·道尔/哈佛大学

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壮观的景象：韦布望远镜看到的船底座星云。图片来源：NASA、ESA、CSA 和STScI

冠军半导体：立方砷化硼的球棒模型。图片来源：麻省理工学院

12月8日，英国《物理世界》杂志公布了2022年度十大突破，涵盖从量子、医学物理学、天文学到凝聚态物质等各个方面。这十项突破是由《物理世界》编辑小组从今年该杂志网站上发布的涵盖物理学所有领域的数百项研究中精选出来的。中国两个科学家团队因超冷多原子分子研究和未来半导体发现入选。

开创超冷化学新纪元

中国科技大学的潘建伟、赵博和美国哈佛大学的约翰·道尔等科学家创造了第一个超冷多原子分子。

30多年来，尽管物理学家一直在努力将原子冷却到接近绝对零度，并且在2000年代中期造出了第一个超冷双原子分子，但制造包含3个或更多原子的超冷分子的目标依然很难实现。

中国科技大学和哈佛团队使用不同且互补的技术，分别制作了220nK（纳开氏度）的3原子钠钾分子样品和110μK（微开氏度）的氢氧化钠样品。他们的成就为物理学和化学的新研究铺平了道路，超冷化学反应的研究、量子模拟的新形式以及基础科学的测试都得益于这些多原子分子平台，使其更容易实现。

观察四中子

德国达姆施塔特技术大学核物理研究所的梅塔尔·杜尔和SAMURAI合作组织的成员，观察了四中子并证明了不带电的核物质的存在。

四中子是通过在液态氢靶上发射氦8原子核而产生的。碰撞可将一个氦8原子核分裂成一个α粒子（两个质子和两个中子）和一个四中子。通过检测反冲的α粒子和氢原子核，团队计算出这四个中子以未结合的四中子状态存在的时间仅为10^-22秒。观察结果的统计显著性大于5σ，超过了粒子物理学发现的门槛。

超高效发电

美国麻省理工学院和国家可再生能源实验室研究人员构建了效率超过40%的热光伏（TPV）电池。

新型TPV电池是首款将红外光转化为电能的固态热力发动机，比基于涡轮的发电机更有效，并且它可在各种可能的热源下运行。该设备可成为更清洁、更环保的电网的重要组成部分，以及对可见光太阳能光伏电池的补充。

最快的光电开关

德国马克斯·普朗克量子光学研究所和慕尼黑大学领导的国际团队，定义和探索了物理设备中光电开关的“速度限制”。

该团队使用仅持续1飞秒（10^-15秒）的激光脉冲以实现每秒运行1000万亿次（1拍赫兹）开关所需的速度，将介电材料样品从绝缘状态切换为导电状态。

打开宇宙的新窗口

美国国家航空航天局（NASA）、加拿大航天局和欧洲空间局公布了詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）拍摄的第一张图片。

经过多年的延误和成本上涨，价值100亿美元的JWST于2021年12月25日发射。JWST的第一张图片是由美国总统拜登在白宫的一次特别活动中公布的，此后还发布了许多令人眼花缭乱的图片。

首次用于人体的FLASH质子治疗

美国辛辛那提大学研究团队致力于FAST-01试验，以进行FLASH放疗的首次临床试验和FLASH质子治疗的首次人体使用。

FLASH放疗是一种新兴的治疗技术，它以超高剂量率进行辐射，这种方法被认为可保护健康组织，同时仍能有效杀死癌细胞。使用质子提供超高剂量率辐射可治疗位于身体深处的肿瘤。

研究表明FLASH质子疗法在缓解疼痛方面与传统放射疗法一样有效，而且不会引起意想不到的副作用。

完善光传输和吸收

奥地利维也纳技术大学和法国雷恩大学团队创造了一种抗反射结构，经过数学优化以匹配波从物体前表面反射的方式。将这种结构放置在随机无序的介质前面可完全消除反射，并使物体对所有入射光波都是半透明的。

与此类似，以色列耶路撒冷希伯来大学领导的一项研究，开发了一种基于一组镜子和透镜的相干完美吸收器，可将入射光捕获在空腔内。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干涉，使反射光束几乎完全消失。

冠军半导体：立方砷化硼

两个独立的团队——一个由美国麻省理工学院的陈刚和休斯敦大学的任志锋领导；另一个由中国国家纳米科学中心的刘新风和休斯敦大学的包吉明、任志锋领导，发现立方砷化硼是科学界已知的最好的半导体之一。

这两个团队进行的实验表明，与构成现代电子产品基础的硅等半导体相比，该材料的小而纯区域具有更高的热导率和空穴迁移率。硅的低空穴迁移率限制了硅器件的运行速度，而其低导热性会导致电子器件过热。

改变小行星的轨道

NASA和约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室通过成功改变小行星的轨道，首次展示了“动能撞击”。

双小行星重定向测试（DART）飞船于2021年11月发射，是有史以来首次执行调查小行星动力学影响的任务。DART在9月以大约6公里/秒的速度成功撞击了小行星迪莫弗斯。几天后，NASA证实DART成功地将迪莫弗斯的轨道周期改变了32分钟——将其从11小时55分钟缩短到11小时23分钟。

检测引力的阿哈罗诺夫—玻姆效应

美国斯坦福大学研究团队检测了引力的阿哈罗诺夫—玻姆效应。

该团队将原子分成两组，每组相距约25厘米，其中一组与大质量物质发生引力相互作用。当重新组合时，原子显示出与引力的阿哈罗诺夫—玻姆效应一致的干涉。该效应可用于以非常高的精度确定牛顿的万有引力常数。