北京大學 朱星 編譯自 Physics，December 16，2024

本文選自《物理》2025年第1期

超高精度的釷原子核鐘

2024年，研究人員掃除了構建原子核鐘(nuclearclock，簡稱核鐘)的一個重大障礙。用釷-229同位素構建的核鐘的躍遷能級極其窄，因而不易受到外場波動的影響，其精確度要比當今最好的原子鐘提高十倍。研究人員測量了這個唯一被認為適于用激光和精密譜儀操控的原子核的躍遷能級和波長，即釷-229同位素的激發(fā)態(tài)。測量涉及用激光將原子核從核基態(tài)激發(fā)，這是一個核鐘能夠受控運行的關鍵步驟。()

無采樣血糖檢測

目前測量血液中的葡萄糖水平需要直接采集血液樣品，或者間接地測量汗水、眼淚或者其他體液。2024年人們關注最多的是一種新的可穿戴裝置，它可以用來連續(xù)地測量人體內(nèi)的葡萄糖含量，而不必從人身體內(nèi)取樣。這種類似于手環(huán)的裝備將射頻信號發(fā)射到待測者的手指，手指散射的信號與待測者的血糖濃度有關。數(shù)值模擬證實，手環(huán)內(nèi)部的放大器和傳感器能夠測量光譜的變化，從而將此與血糖水平相關聯(lián)。()

中微子迷霧進入暗物質(zhì)研究者眼簾

在多年沒有取得暗物質(zhì)明確成果之后，2024年終于得到了真實信號。但是這些信號并非來自于暗物質(zhì)粒子，而是來自于太陽核反應生成的中微子流。2024年兩個研究組獨立地報道稱，他們的探測器可能已經(jīng)看到了這種“中微子迷霧”(neutrino fog)。中國四川錦屏實驗室的PandaX合作組和意大利國家地下實驗室的XENON合作組分別獨立地報道了這一現(xiàn)象。從長遠角度考慮，中微子迷霧可能會對暗物質(zhì)的搜尋造成負面影響，然而或許會推動下一個十年的新一代實驗。進一步講，暗物質(zhì)實驗可能推動多功能探測器的研制，從不同角度研究中微子物理中的新現(xiàn)象。()

暗物質(zhì)探測器測量到來自太陽的中微子背景——中微子迷霧

核聚變的能量輸出得到證實

2022年，美國國家聚變點火裝置(NIF)演示了核聚變反應產(chǎn)生的能量超過了消耗的能量，這一結果終于得到正式驗證。2024年2月，5篇經(jīng)過同行評審的研究論文揭示了激光誘導的核聚變這一里程碑式的結果。反應過程所使用的燃料棒、激光的配置、燃料的成分等均經(jīng)過升級，從而有助于提高核反應能量。當分析2021年3月和5月核聚變反應的實驗裝置時，NIF的研究人員發(fā)現(xiàn)，在燃料棒中參與反應的等離子體的體積增加四倍時，可以引起聚變能量高達20倍的輸出。盡管已經(jīng)報道的聚變能量輸出仍然低于所需運行激光系統(tǒng)的電能輸入，但研究人員正在對核反應和激光的效率進行升級。()

用力學方法測量微弱的核衰變

2024年7月，研究人員探測到通過發(fā)射單個α粒子而造成的反沖現(xiàn)象。團隊將一些輻射性的鉛-212原子放置在二氧化硅微球的表面，使它們懸浮在光阱中。施加交變電場后，隨著α和β衰變，它們所攜帶的凈電荷會發(fā)生變化。這些α衰變也會造成微小的抖動(kicks)，即微球的動量發(fā)生變化。因此，通過觀察這些微球?qū)馍⑸浞绞降淖兓苯舆M行了核衰變的測量。 ()

研究人員精密探測在微球表面發(fā)生的核衰變。未來這種技術可能用于暗物質(zhì)探測，或者核材料的取證

一種傳統(tǒng)磁體的替代品

在這個世界上，似乎沒有什么尚未被發(fā)現(xiàn)的新磁體。至少在幾年前，這是人們的普遍看法，直到“交替磁體”(altermagnets)的出現(xiàn)。在過去幾年間，一些研究組提出了這種磁鐵，它的性質(zhì)處于鐵磁性和反鐵磁性之間。這個具有潛在應用的材料不具備凈磁化(像反鐵磁體)，但是具有磁敏感的能級(類似于鐵磁體)。2024年以來，有實驗證據(jù)表明存在交替磁體。一個研究證實，碲化錳的電子能帶會在磁場下分裂成兩部分，這是人們所預期的交替磁體應當具有的特性。(；)

紐約市見證了破紀錄的光子演示

在紐約市，不僅人們會乘坐環(huán)城地鐵，另外還有光子也會通過光纖互聯(lián)網(wǎng)在地下環(huán)城傳輸。作為面向未來連接量子處理器的網(wǎng)絡，研究人員破紀錄的每秒將二萬個互相糾纏的量子注入到紐約市地下34公里的光纖中。光子糾纏非常脆弱，特別是在地下光纜中會出現(xiàn)不可預料的情況。然而，研究團隊采用傳統(tǒng)的光子對糾纏光子的最終偏振態(tài)進行連續(xù)監(jiān)控，并且用這些信息對干擾進行補償。(

解開早期宇宙之謎

JWST(詹姆斯·韋布空間望遠鏡)具有超出任何其他星系成像望遠鏡的能力，能夠觀測到宇宙更深處，它揭示了大量未曾預料的高亮度、宇宙早期的星系。這些新發(fā)現(xiàn)最初被解讀為對現(xiàn)存宇宙學范式——ΛCDM模型的挑戰(zhàn)。然而，進一步的研究提示，問題可能出在天體物理中描述銀河系和星系演變的模型上。天體物理學家已經(jīng)提出了對這個難題的可能解釋，其中大多數(shù)認為早期宇宙中的恒星和星系的行為與當今不同。JWST進一步的測量結果或許能在明年解決這一難題。()

噴水器佯謬得出新結論

草坪噴水器在水流噴出的作用下會繞圈旋轉。問題是，如果水從噴水嘴被吸入時，它是否會反方向旋轉呢？這是著名物理學家Richard Feynman提出的問題，歷經(jīng)數(shù)十年還未有確定的答案，直到2024年才有了明確結果。研究人員建造了一個懸浮的噴水器，可以向外噴水，或者向內(nèi)吸水。這種懸浮設計是為了克服摩擦力，避免使問題復雜化。初步結果是吸水確實導致了反方向旋轉，但是運動速度比向外噴水時慢，而且不夠連續(xù)。這種噴水器的類比實驗或許對理解量子力學中的多重世界有所幫助。(；)

用熒光燃料示蹤從噴水器中噴出水流的軌跡

新型鈉離子電池物有所值

鋰離子電池已經(jīng)在個人電器以及電動汽車產(chǎn)業(yè)中起到革命性地引領作用，但是也有環(huán)境成本問題，包括需要對這種地球上相對稀少的鋰的開采和加工過程中的成本。元素鈉與鋰具有相近的化學性質(zhì)，而豐度是鋰的一千倍，近年來鈉在電池研究中的作用受到廣泛重視。一些公司已經(jīng)開始將鈉離子電池推向商業(yè)化，用于電能存儲和小型電動汽車。鈉電池可以提供更高的功率，并且能夠在低溫下運行，然而鈉電池的質(zhì)量能量密度尚低于鋰電池。研究人員期望在未來幾年內(nèi)，鈉電池在某些應用中可以與鋰電池一較高下。()

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