近日，英国《物理世界》评选出了2024年度物理学的十大突破性进展。作者为：Hamish Johnston，他是《物理世界》网站的在线编辑。 以下为译文（AI亦有贡献）：
《物理世界》很高兴地公布2024年十大年度突破，其中涵盖核物理、医学物理、量子计算、激光、反物质等领域的研究。这十大突破入围了“《物理世界》年度突破奖”，最终获奖结果将于12月19日（周四）揭晓。
我们的编辑团队回顾了自1月1日以来报道过的所有科学发现，并挑选出了我们认为最为重要的10项成果。这些突破除了在2024年的《物理世界》杂志上有过报道外，还必须满足以下标准：
- 在知识或认知方面有重大进展；
- 对科学进步以及/或者现实应用具有重要意义；
- 能引起《物理世界》读者的普遍兴趣。
以下就是《物理世界》2024年的十大突破（排名不分先后）。大家可以在《物理世界》周刊播客中收听编辑们阐述各项提名成果的情况。并且，下周再来看看究竟是谁摘得了2024年度突破奖。
让活体小鼠皮肤变透明的吸光染料
实现光学透明：第一作者欧子豪（音）拿着一小瓶溶解状态的常见黄色食用染料——柠檬黄。欧子豪及其同事通过涂抹水和柠檬黄的混合物，使活体小鼠头骨及腹部的皮肤变得透明了。（供图：美国得克萨斯大学达拉斯分校）
美国斯坦福大学的一个研究团队因开发出一种能让活体小鼠皮肤暂时透明的方法而入选。利用光学技术对生物组织成像的挑战之一在于，组织会散射光线，从而使其变得不透明。由欧子豪（音，现就职于美国得克萨斯大学达拉斯分校）、马克·布朗格斯玛以及郭颂宏（音）领导的团队发现，常见的黄色食用染料柠檬黄能强烈吸收近紫外光和蓝光，有助于使生物组织变得透明。研究人员将这种染料涂抹在活体小鼠的腹部、头皮以及后肢上，无需进行任何手术就能透过皮肤看到其内部器官，比如肝脏、小肠和膀胱。他们还能观察到啮齿动物大脑中的血流情况以及其后肢肌肉肌节纤维的精细结构。只需简单冲洗掉染料，就能逆转这一效果。这种“光学透明化”技术目前仅在动物身上进行过实验，但如果推广到人类身上，或许能让某些侵入性活检成为历史。
激光冷却正电子素
欧洲核子研究中心的反氢激光物理装置（AEgIS）合作团队，以及东京大学的吉冈浩介及其同事，因各自独立展示了正电子素的激光冷却而入选。正电子素是一种由电子和正电子组成的类似原子的束缚态，物理学家在实验室中制造它以研究反物质。目前，正电子素是在“热”云团中产生的，其中原子的速度分布范围很广，这使得精密光谱学研究变得困难。将正电子素冷却到低温能够开辟研究反物质性质的新途径。这也能让研究人员制造出比原来多一到两个数量级的反氢——反氢是一种由正电子和反质子组成的反原子，物理学家对其很感兴趣。这项研究还为利用正电子素检验粒子物理学标准模型（比如预测特定光谱线的量子电动力学）的现有内容以及探究引力对反物质的影响铺平了道路。
构建肺部细胞模型以实现放疗个性化
英国萨里大学的罗曼·鲍尔、德国重离子研究亥姆霍兹中心的马尔科·杜兰特以及来自德国重离子研究亥姆霍兹中心和美国麻省总医院/哈佛医学院的尼科洛·科尼奥，因创建了一个能够改善肺癌患者放疗效果的计算模型而入选。放疗是治疗肺癌的有效方法，但可能会对健康组织造成伤害。为了尽量减少辐射损伤并助力实现治疗个性化，该团队将肺部组织模型与蒙特卡洛模拟器相结合，在微观和纳米尺度上模拟肺泡（肺部内的微小气囊）的辐射情况。基于传递到每个细胞的辐射剂量及其分布情况，该模型能预测每个细胞是生是死，并确定治疗后数小时、数天、数月甚至数年辐射损伤的严重程度。重要的是，研究人员发现他们的模型所得结果与来自多个实验室和医院的实验观测结果相匹配，这表明该模型原则上可用于临床环境。
由石墨烯制成的半导体及新型开关
芯片上的外延石墨烯：该团队的石墨烯器件是在碳化硅衬底上生长出来的。（供图：佐治亚理工学院）
天津大学和佐治亚理工学院的沃尔特·德希尔、马磊（音）及其同事，以及曼彻斯特大学的马塞洛·洛萨达 - 伊达尔戈及其多国同事团队（各自独立成果），因制造出由石墨烯制成的功能性半导体，以及利用石墨烯分别制造出具备存储和逻辑功能的开关而入选。以曼彻斯特大学团队为首的这一成果，是在一个利用质子电流执行逻辑运算同时利用电子电流编码存储信息的器件中，利用了石墨烯传导质子和电子的能力。这些功能通常由不同的电路元件来执行，这会增加数据传输时间和功耗。相反，德希尔、马磊（音）及其同事设计出了一种不易导电的石墨烯形式。他们新研制的“外延石墨烯”具有能隙，就像硅一样，可将其制成晶体管，但它还具备硅所缺乏的优良特性，比如高导热性。
探测单个原子核的衰变
美国耶鲁大学的大卫·摩尔、王嘉祥（音）及其同事，因通过将放射性铅 - 212原子嵌入微米级的二氧化硅球体中，并测量原子核从球体逃逸时球体的反冲来探测单个氦原子核的核衰变而入选。他们的技术依赖动量守恒，能够测量小至10⁻²⁰牛的力以及微小至10⁻⁷g（g是地球引力引起的当地重力加速度）的加速度。研究人员希望有朝一日类似的技术可用于探测中微子，中微子的质量比氦原子核小得多，但同样会在某些核反应中作为衰变产物被发射出来。
首次统一原子核的两种不同描述
美国麻省理工学院的安德鲁·丹尼森、德国明斯特大学的托马斯·耶卓以及一个国际团队，因首次统一原子核的两种不同描述而入选。他们将粒子物理学视角（原子核由夸克和胶子组成）与传统核物理学将原子核视为相互作用的核子（质子和中子）集合的观点相结合。该团队对短程关联核子对有了新的见解——短程关联核子对是一种转瞬即逝的相互作用，两个核子会异常靠近并在仅仅几飞秒的时间内进行强相互作用。该模型利用涉及19种质量差异很大（从氦 - 3到铅 - 208）的原子核散射实验的实验数据进行了测试和完善。这项工作代表着我们在理解核结构和强相互作用方面向前迈出了重要一步。
新型小型、低成本且可调谐的钛宝石激光器
美国斯坦福大学的耶莱娜·武茨科维奇、约书亚·杨、卡斯珀·范·加斯、达尼埃尔·卢金及其同事，因开发出一种只需简单的绿色发光二极管作为泵浦源的紧凑型、集成式钛宝石激光器而入选。他们将钛宝石激光器的成本和体积降低了三个数量级，功耗降低了两个数量级。传统的钛宝石激光器必须用高功率激光器进行泵浦，因此成本超过10万美元。相比之下，该团队能用价值37美元的绿色激光二极管来泵浦他们的设备。研究人员还实现了钛宝石激光器此前无法做到的两件事：他们能够调节激光的波长，并且能够制造出钛宝石激光放大器。他们的设备朝着使这种在科研和工业领域都发挥重要作用的激光器实现普及迈出了关键一步。
48个逻辑量子比特的量子纠错；以及在表面码阈值以下实现量子纠错
具有开创性的设备——谷歌量子人工智能公司的新“柳树”芯片。（供图：谷歌Quantum AI）
哈佛大学、麻省理工学院和QuEra计算公司的米哈伊尔·卢金、多列夫·布卢夫施泰因及其同事，以及谷歌量子人工智能公司的哈特穆特·内文及其同事及其合作者（各自独立研究），因分别在原子处理器上用48个逻辑量子比特展示量子纠错，以及在超导芯片上于表面码阈值以下实现量子纠错而入选。与环境相互作用（噪声）导致的错误是每台量子计算机的致命弱点，而纠正这些错误一直被称为该技术面临的“关键挑战”。这两个团队利用截然不同的量子系统（前者是中性原子技术，后者是超导量子技术），朝着克服这一挑战迈出了重要步伐。通过这样做，他们让量子计算机更有可能成为实用的解决问题的机器，而不仅是用于科研的有噪声的中等规模工具。
利用纠缠光子隐藏和增强图像
两个相关团队因在成像中巧妙运用纠缠光子而入选。这两个团队中都有法国索邦大学的克洛伊·韦尼埃和雨果·德菲安，二人利用量子纠缠将一幅图像编码到一束光中。令人惊叹的是，只有使用单光子敏感相机的观察者才能看到这幅图像，否则图像就是隐藏不可见的。该技术可用于创建对散射不太敏感的光学系统，这对于生物组织成像以及远距离光通信可能很有用。在另一项独立工作中，韦尼埃和德菲安与英国格拉斯哥大学的帕特里克·卡梅伦等人合作，利用纠缠光子增强自适应光学成像。该团队表明，这种技术能够生成比传统明场显微镜分辨率更高的图像。展望未来，这种自适应光学技术可能会在量子显微镜的发展中发挥重要作用。
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