英國物理學(xué)會主辦的《物理世界》（Physics World）12 月 12 日正式公布 “2025年度十大科學(xué)突破”榜單，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心張廣宇團隊主導(dǎo)的 “首例二維金屬制備” 成果成功入選。這是該榜單自 2009 年設(shè)立以來，我國主導(dǎo)研究第 7 次獲此殊榮，也是本年度唯一入選的中國成果，與小行星生命起源線索、分子超流現(xiàn)象等國際重大突破共同躋身前列。實際上這是中國科學(xué)院物理研究所第二次有成果入選，上一次入選的成果是2015年的外爾費米子。

自 2004 年石墨烯被發(fā)現(xiàn)并開啟二維新紀元以來，全球科學(xué)家已制備出數(shù)百種二維材料，理論預(yù)測更是接近 2000 種，但這些材料均局限于層狀體系 ——類似 “千層餅” 的結(jié)構(gòu)通過弱范德華力結(jié)合，可通過機械剝離等方式獲得單層。而占元素周期表約 80%的金屬，因具有非層狀結(jié)構(gòu)、強金屬鍵及高對稱性，如同 “壓縮餅干” 般難以拆分，原子級薄的二維金屬長期被學(xué)界認為是 “不可能完成的任務(wù)”，成為二維材料領(lǐng)域長期存在的重大空白。

為攻克這一難題，張廣宇團隊歷時多年攻關(guān)，獨創(chuàng) “原子制造的范德華擠壓技術(shù)”，利用團隊自主研發(fā)的原子級平整單層二硫化鉬作為 “范德華壓砧”，實現(xiàn)了埃米級極限厚度下二維金屬的普適制備，成功獲得鉍（6.3?）、錫（5.8?）、鉛（7.5?）、銦（8.4?）和鎵（9.2?）五種二維金屬。這些材料的厚度僅為頭發(fā)絲直徑的二十萬分之一、A4 紙厚度的百萬分之一。

單層鉍的原子結(jié)構(gòu)

這項技術(shù)突破帶來了多重核心優(yōu)勢：制備的二維金屬具有超 1 年無性能退化的環(huán)境穩(wěn)定性，且擁有非成鍵界面，為探索材料本征特性奠定基礎(chǔ)；電學(xué)測試顯示，單層鉍的室溫電導(dǎo)率達 9.0×106S/m，較塊體鉍提升一個數(shù)量級以上，還展現(xiàn)出獨特的 P 型電場效應(yīng)，電阻可通過柵壓調(diào)控 35%（超塊體金屬< 1%）；技術(shù)更能以原子精度控制二維金屬厚度（單層、雙層或三層），為研究新奇層贗自旋特性提供了全新平臺。

與層數(shù)相關(guān)的特性

“這一突破不僅填補了二維材料家族的關(guān)鍵拼圖，更開辟了全新研究領(lǐng)域。” 論文共同通訊作者杜羅軍特聘研究員指出，二維金屬有望衍生出量子霍爾效應(yīng)、二維超導(dǎo)等宏觀量子現(xiàn)象，為低功耗晶體管、高頻器件、超靈敏探測等技術(shù)革新提供核心材料。元素周期表有 88 種金屬元素，目前實現(xiàn)的5種僅僅只是“冰山一角”，加上二元及多元合金，未來尚有上萬種二維金屬材料待探索，為該領(lǐng)域留下廣闊空間。該成果自 3 月在《自然》發(fā)表以來，迅速引發(fā)全球?qū)W界與媒體高度關(guān)注。

單層鉍的電學(xué)特性

《物理世界》“年度十大突破” 以學(xué)術(shù)權(quán)威性著稱，入選成果需滿足 “科學(xué)意義重大、推動知識邊界、理論與實驗緊密結(jié)合、引發(fā)全球物理學(xué)家廣泛關(guān)注” 四大核心標準。

以下是本年度十大突破（排名不分先后）：

小行星樣本揭示生命起源線索

一個國際研究團隊在近地小行星“貝努”的返回樣本中，發(fā)現(xiàn)了鹽、氨、糖、富氮/氧有機物以及超新星塵埃痕跡。這些由美國國家航空航天局（NASA）的OSIRIS-REx探測器于2020年采集的樣本，其復(fù)雜的化學(xué)成分支持了小行星撞擊可能為早期地球帶來生命形成所需原材料的假說。該研究不僅深化了我們對生命起源的理解，也揭示了太陽系天體的形成機制。

圖片來源：物理學(xué)家組織網(wǎng)

首次觀測到分子超流現(xiàn)象

包括加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)在內(nèi)的聯(lián)合團隊首次在分子氫中觀測到超流性。團隊克服了氫在超流溫度下會凝固的難題，通過將氫分子簇束縛在氦液滴中并嵌入甲烷分子作為探針，歷時近20年，成功探測到超流轉(zhuǎn)變。這一突破為探索量子與經(jīng)典行為的邊界開辟了新途徑。

空心光纖突破通信傳輸極限

由英國南安普敦大學(xué)和微軟AzureFiber組成的團隊開發(fā)出新型空心光纖，其核心以空氣替代傳統(tǒng)玻璃，利用玻璃膜反射光波。測試表明，該光纖信號衰減比標準光纖減少35%，傳輸速度提升45%，有望減少長距離通信中放大器的需求，為更快速、環(huán)保的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施奠定基礎(chǔ)。

質(zhì)子弧療法首用于臨床治療

意大利特倫托質(zhì)子治療中心的團隊率先完成質(zhì)子弧療法（PAT）的臨床應(yīng)用。該技術(shù)通過弧形路徑多角度輸送質(zhì)子束，優(yōu)化了腫瘤靶向劑量分布。在與傳統(tǒng)掃描方案進行對比驗證后，團隊成功對九名癌癥患者實施了PAT治療，標志著質(zhì)子治療技術(shù)進入新階段。

首例二維金屬材料制備成功

中國科學(xué)院團隊突破傳統(tǒng)認知，首次制備出單原子層超薄金屬，其厚度僅為頭發(fā)絲直徑的二十萬分之一。團隊通過將金屬熔化并利用單層二硫化鉬作為范德華壓砧擠壓，成功實現(xiàn)原子極限厚度下各種二維金屬的普適制備。該成果被視為二維材料領(lǐng)域的重大進展，為研究二維金屬的獨特物理性質(zhì)及相關(guān)應(yīng)用打開大門。

圖片來源：中國科學(xué)院物理研究所

蛋白質(zhì)量子比特實現(xiàn)活細胞磁傳感

美國芝加哥大學(xué)團隊利用熒光蛋白開發(fā)出可在活細胞內(nèi)合成的量子比特。這種直徑3納米的蛋白質(zhì)具備類似鉆石氮空位中心的光學(xué)與自旋特性，經(jīng)基因改造后能在細菌中表達，并以8%的自旋對比度實現(xiàn)磁場傳感，為細胞內(nèi)原位磁共振測量提供了全新工具。

反質(zhì)子自旋的量子精密測量

歐洲核子研究中心的BASE合作組首次實現(xiàn)對單個反質(zhì)子的相干自旋操控。團隊通過將反質(zhì)子冷卻并囚禁于電磁阱中，利用微波脈沖操控其自旋態(tài)，將測量精度較此前提升16倍。這一突破為檢驗物質(zhì)-反物質(zhì)對稱性提供了前所未有的精度，可能揭示標準模型之外的新物理。

智能手機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建地震預(yù)警系統(tǒng)

美國加州大學(xué)伯克利分校與谷歌合作，利用全球安卓手機內(nèi)置加速度計構(gòu)建地震警報網(wǎng)絡(luò)。2021—2024年測試期間，系統(tǒng)平均每月檢測312次地震（震級1.9—7.8），并向受影響用戶發(fā)送警報。該低成本方案有望彌補傳統(tǒng)地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的覆蓋空白，并助力災(zāi)后應(yīng)急響應(yīng)。

系外氣態(tài)巨行星首張?zhí)鞖鈭D繪成

德國哥廷根大學(xué)團隊通過光譜分析系外行星WASP-127b的大氣，繪制出首張系外行星天氣圖。研究發(fā)現(xiàn)該行星存在時速達3.3萬公里的超音速風(fēng)，極地與赤道溫差超1000°C，大氣中水蒸氣的檢測暗示可能存在特殊降雨過程，為系外行星氣候研究樹立新標桿。

圖片來源：歐洲南方天文臺

單原子分辨率顯微成像突破

包括美國馬里蘭大學(xué)在內(nèi)的團隊借助電子顯微鏡技術(shù)，以15皮米分辨率捕獲二維材料二硒化鎢中單個原子的清晰圖像，分辨率達原子尺寸的十分之一。該技術(shù)首次直接觀測到莫爾晶格中的集體振動（莫爾聲子），為理解材料微觀相互作用及設(shè)計新型量子材料提供關(guān)鍵手段。

部分來源：科技日報

編輯：測不準的小陽