科普文章

《物理世界》（Physics World）2025年度突破授予中国科学院物理研究所的张广宇、杜罗军及其团队，以表彰他们成功制备出首例二维金属材料。研究团队制备了五种原子级厚度的二维金属，包括铋、锡、铅、铟和镓，其中最薄的厚度约为6.3Å。研究人员表示，这项成果目前只是“冰山一角”，未来他们计划利用这些新材料进一步探索物理学的基本问题，同时该突破也有望推动新技术的发展。 自2004年石墨烯（一种仅由单层碳原子构成的材料）被发现以来，科研人员已成功制备并研究了数百种二维材料。大多数二维材料由共价键连接的原子层构成，层与层之间通过较弱的范德华相互作用结合，因此相对容易“剥离”出单层结构。然而，金属中每个原子在各个方向上都与周围原子形成强键合关系，使得原子级厚度金属的制备长期以来被认为几乎不可能实现。 张广宇、杜罗军及其团队开发了一种全新的制备技术：他们将高纯度金属粉末置于双层MoS₂/蓝宝石范德华砧之间进行加热。当金属粉末熔融形成液滴后，研究人员施加约200MPa的压力，并持续进行这种“范德华挤压”，直至砧板两侧冷却至室温，从而成功制备二维金属薄片。 张广宇在最新一期《物理世界每周播客》（Physics World Weekly）中表示：“目前我们已经制备了五种单元素金属，但实际上我们还可以做得更多，因为元素周期表中共有88种金属。”在该播客中，他还介绍了团队开展二维金属研究的初衷，以及这些材料在未来潜在的技术应用前景。   除此之外，《物理世界》还评选出了其他9项成果，共同作为“2025年度物理学十大突破”。这十大突破是由《物理世界》的编辑团队从今年发表在网站上的数百项物理学领域的最新研究中筛选出来的，除了必须在2025年被《物理世界》报道过外，入选候选名单的研究还必须满足以下标准： 是物理学知识或认知的重大进展； 对于科学进步或现实应用具有重大意义； 《物理世界》读者对其拥有极大兴趣。   以下是今年《物理世界》评选出的十大物理学突破中的其余9项（排名不分先后）。 在小行星上发现生命构成物质 NASA的OSIRIS-REx探测器于2020年从小行星101955 Bennu采集样本并成功返回地球。研究团队在样本中发现了盐类、氨、糖类、富含氮和氧的有机物，以及富含金属的超新星尘埃痕迹。这一化学成分的丰富性有力支持了“小行星撞击可能为早期地球带来生命原始成分”的假说，也深化了我们对太阳系早期物质凝聚形成过程的理解。   首次观测到超流体分子 贡献者：加拿大不列颠哥伦比亚大学Takamasa Momose、日本理化学研究所Susumu Kuma 等。 理论预测最轻的分子——氢分子——在1–2 K 温度下会进入超流态，但其凝固点高达13.8 K。研究团队耗时近20年，开发出将氢分子包裹在氦纳米液滴中的技术，并通过嵌入甲烷分子监测其旋转状态，首次证实了分子氢的超流性。下一步，他们计划研究更大规模的氢团簇，以探索经典与量子行为的边界。   空心光纤打破40年传输极限 贡献者：英国南安普顿大学与微软Azure Fiber团队（Francesco Poletti 领导）。 传统光纤使用玻璃芯传输光信号，而该团队开发出一种以空气为核心的新型空心光纤。通过特殊玻璃膜结构反射特定频率的光，使光在空心通道中高效传播。实验表明，这种光纤比标准玻璃光纤衰减降低35%，传输速度提升45%，有望减少长距离通信所需的放大器数量。微软已在其网络中部署测试段，未来或可替代现有海底光缆。 质子弧治疗首次用于临床 贡献者：意大利特伦托质子治疗中心Francesco Fracchiolla及团队。 传统质子治疗采用“笔形束扫描”技术，受限于可实现的射束角度数量。该团队与瑞典 RaySearch 实验室合作，首次将质子弧形治疗（PAT）用于九名癌症患者的临床治疗。PAT 通过连续弧形轨迹从多个角度投射质子束，并优化各角度的能量分布。所有治疗均使用现有设备和临床流程完成，验证了 PAT 的可行性与安全性。   基于蛋白质的量子比特用于生物传感 贡献者：美国芝加哥大学 Pritzker 分子工程学院 Peter Maurer、David Awschalom等。 传统量子传感器（如金刚石中的氮-空位中心）体积大、难以植入活细胞。该团队设计出一种仅3纳米大小的荧光蛋白量子比特，可在活细胞内原位表达。利用近红外激光脉冲，他们成功读取了黄色荧光蛋白的三重态自旋状态（对比度达20%），并在细菌中实现8%的信号对比度。尽管性能尚不及NV中心，但该技术首次实现了活细胞内部的磁共振测量。   有史以来最高分辨率的单原子图像 贡献者：美国马里兰大学Yichao...

Engineering Research Express (ERX)是一本涵盖工程科学所有领域的多学科期刊，致力于发表新的实验和理论研究。近日，我们采访了ERX期刊编委之一，来自马来西亚理工大学的Mohd Haizal bin Jamaluddin副教授，让我们一起来看看他对期刊以及领域发展的见解吧。 访谈详情 1. 您为什么选择从事相关的领域研究？ My interest in wireless communication began during my undergraduate studies when I became fascinated by how electromagnetic signals enable global information exchange. This curiosity led me to specialize in antenna design and radio frequency systems. Over time, I saw the potential of antenna engineering in...

《物理世界》（Physics World）是世界领先的物理杂志，并以月刊的形式发送给英国物理学会（IOP）的所有成员。《物理世界》的每一期都涵盖了世界各地科学家都关注的时事新闻和关键问题，包括著名物理学家和科学作家的专题文章、综合新闻和分析，以及精辟的观点文章。 我们将不定期精选出其中的优秀文章，供大家阅读。希望您喜欢阅读本期文章！ 文章介绍 量子擦除并不改写过去——它改写的只是观察者 中国科学院半导体研究所&中国科学院大学 金缘德、马稳龙. 编译自Maria Violaris. Physics World，2025：（8）：31 本文选自《物理》2025年第9期   我常常想象，2125年Physics World量子特刊的开场白会是这样：“欢迎来到量子力学200周年特辑。在这期‘双重量子’中，文本的字母用量子比特存储。当你阅读时，你把字母投射到一个确定的量子态，这些信息被复制进你的大脑，成为你正在读的这篇文章。事实上，本页文本处于众多不同文章的叠加态，但只有其中一篇会被拷贝到你的记忆里。希望你喜欢这独属于你的一篇。” 如果真有幸读到那本杂志，或许你还会有点失望：你只能读到你的文本投影到的那篇文章。问题在于，你通过阅读让关于每个字母的信息都被复制进了你的记忆，进而这个“多文章的叠加态”发生了退相干。那么，有没有办法把别的文章也读出来？毕竟，能看到更多的Physics World文章，总没坏处。 一个可能的设想是：也许你能通过抹去刚才的记忆来恢复文本的相干性。一旦不再保留那一篇被选中的文章信息，文本就没有继续保持单一退相干态的理由，于是你可以重新阅读，得到另一篇文章。 尽管这个思想实验听起来颇具魔幻色彩，其概念却与著名的双缝实验的变体存在着惊人的关联，即被称为具有延迟选择的量子擦除实验。该实验常被宣称展现出颠覆性的现象：当下进行的测量竟能改变过去发生的事件。但即便在以离奇著称的量子领域，真有如此戏剧性的结论吗？ 双缝实验上的两次转折 在标准双缝实验中，光子一个接一个穿过两条狭缝，在屏幕上形成干涉条纹，显示出光的波动性。但若在狭缝处放一个能分辨光子具体穿越哪条缝的探测器，干涉就会消失，屏幕上出现两个亮斑，呈现粒子性。关键在于：获得路径信息会改变光子的量子态——从波动式的干涉，变为粒子式的团簇。 这个思想实验的第一次转折源自惠勒在1978年的提议，以及之后他与Wojciech Zurek在1983年的合作：把路径测量延迟到光子快到屏幕时再做。有趣的是，即便测量发生在光子通过狭缝之后，它仍然决定我们最终是否看到波动性或粒子性。也就是说，延迟的探测仍然决定该光子是否会与自己发生干涉。 如果这还不够奇怪，那么延迟选择的量子擦除作为这个思想的变体，成为了第二次转折：如果记录路径时会导致退相干，那么擦除这些信息又会如何？设想把探测器考虑为一个与光子纠缠的量子比特：光走左缝对应量子比特为0，右缝为1。此时我们不在0/1基下读出它(那会显露路径)，而是在互补基下测量，使0与1“随机化”，从而抹去路径信息。 有意思的是，尽管屏幕上的总体图像仍呈现出类似粒子的亮斑，但只要对其做互补基测量，我们就能抽取出波动性的干涉图样。其机理是一个分类与筛选的过程：互补测量有两种可能的结果，我们用这两个结果将屏幕上的探测事件分为两组；把两组分别作图，每一组都各自出现明暗相间的条纹，这就像戴上红蓝两色镜片的3D眼镜，各自显出一幅独立的条纹图像；而摘下眼镜(把两幅相加)则完全看不出干涉。   量子擦除实验。用单个镜片(分别用两个基)来观测，各自显出一幅独立的条纹图像；而摘下眼镜(或是戴上两个镜片，将两幅相加)则完全看不出干涉。 是改写过去，还是改写叙事？ 擦除信息似乎让我们把已成“粒子”的光子又“修复”为“波”。这听上去确实离谱。不过，英国纽卡斯尔大学的量子物理学家Jonte Hance强调：关键不是“逆因果”，而是两幅条件筛选得到的干涉图如何相加，才会恢复为那张熟悉的退相干图。“它们看起来彼此不能拼在一起，” Hance解释说，“但实验恰恰在表明，通过纠缠得到的那些关联，必须能与一切你可能采取的测量方式相容。” 因此，这些结果揭示的，是量子理论的一个耐人寻味的方面——量子关联的丰富而反直觉的结构是源于纠缠，而不是过去的影响。 葡萄牙伊比利亚国际纳米实验室的 Lorenzo Catani 指出，提出延迟选择的惠勒本人，并不支持“逆因果”的解读。在这段思想实验的历史叙述中，惠勒给出的结论更像是“我们必须放弃某种类型的实在论”——也就是过去可以独立于当下记录而存在的观念。据我所知，只有少数研究者把该实验解读为支持“逆因果”的证据。   量子擦除 vs 贝尔：离奇与更离奇 因“逆因果”争议而困惑的，还有奥地利因斯布鲁克大学的Johannes Fankhauser。他意识到，量子擦除的装置可以转化为一个非常标准的贝尔实验。这些实验基于两比特纠缠，旨在排除局域隐变量模型。由此他看到，根本不需要用“时间倒流的影响”来解释量子擦除，因为与之相关的贝尔实验并不需要这种解释。接着，他又用德布罗意—玻姆的量子理论诠释来分析量子擦除：在这种把波函数视为物理实在的图景下(粒子受“领航”波引导)，量子擦除的实验结果可以完全在不考虑时间倒流影响的前提下解释。 这是否意味着量子擦除实验除了贝尔实验已告诉我们的信息之外，别无新意？也不尽然。Fankhauser认为，量子擦除拧动的是另一组旋钮。它追问的是：“测量意味着什么？”，“何时我们才可以说系统具有某种属性？”这些仍是开放的问题。 另一方面，Catani 在2023年的研究中给出了一个有启发性的对比：他提出了一个经典物理的模型，但加了一个附加条件——对底层物理态的可知性施加限制。结果显示，在这种经典框架里，量子擦除的统计结果可以被复现；但贝尔实验的统计违背却无法被复现。由此可见，仅仅对物理态的知识不完备不足以解释贝尔现象，贝尔所呈现的“非经典性”更强；相形之下，量子擦除中的逆因果叙事更多依赖于一种特定的叙事方式，这也就更容易滋生悖论的观感。   路径信息如何消除？传统考虑的探测器在0/1基(z轴方向)下测量，即左缝测量|0>态，右缝测量|1>态；量子擦除实验以互补的方式在+/-基(x轴方向)下进行测量。   把量子擦除当作一个脑筋急转弯 多数物理学家同意：量子擦除在数学上与标准量子论框架完美契合。但Hance也提醒，形式化推导不是全部：“我们需要深入剖析这一现象，不仅要审视数学假设，更要建立直观认知，从而真正探索量子特性的本质。”Hance持续分析该思想实验中不同假设的物理影响，其2021年与量子擦除悖论合作者发表的预印本中探讨了若干可能性。就此而言，量子擦除为理解量子关联如何以经典物理学无法描述的方式相互匹配提供了工具。“这是一种绝佳的思维辅助工具——既是脑筋急转弯，又是对这种怪异现象本质的演示。”   信息、观察者与量子计算机 不同研究者从量子擦除里读到的内容各不相同：有人借助它聚焦被测系统属性的开放难题；有人从中吸取数学表述要严密的历史教训；也有人乐于把它当作一个必须被疏通的反直觉谜题。对少数偏离主流路径的人来说，它甚至依然带着某种过去被未来影响的味道。 就我个人而言，量子擦除的最大启示在于它清楚地说明：在双缝实验里，哪怕仅仅一次两比特纠缠，都足以造成退相干，无论日后你是否去读出那个量子比特。换句话说，不需要某个神秘的宏观观察者来触发坍缩。这也解释了为什么建造量子计算机如此困难：哪怕与一个粒子发生了不受控的微弱纠缠，整个计算都可能坍缩成随机态而失败。 回到我们“200周年特刊”读者的未来寓言：仅靠抹除记忆，并不足以恢复文章的量子行为，即选出的那一篇不可能被“改写”。不过，按照量子擦除的协议，这些未来读者至少还能做一件胜过调皮编辑的事：他们可以对记忆做一组互补测量，并据此把文章分类筛选成两篇更小的“个体文章”，各自展示出原本隐藏的量子纠缠结构。即便不能用量子擦除去“改写过去”，或许它能改写你将要读到的未来。  ...

IOP出版社每月从年度重点期刊中精选两个主题的研究文章供大家阅读，本月的主题为Attosecond和Machine Learning/AI。这些文章体现了IOP期刊的高质量和创新性，并呈现了一些受关注的研究工作。欢迎大家阅读下载！ 您可以扫描下方二维码，查看IOP出版社环境、量子和工程领域的最新资讯；还可以点击此处链接，订阅该领域的最新研究进展以及相关期刊的最新信息。 原子与分子物理： 数学与计算： 精选文章 Attosecond JPhys Photonics Attosecond electron dynamics in solid-state systems G Inzani and M Lucchini   Absolute delay calibration by analytical fitting of attosecond streaking measurements G Inzani, N Di Palo, G L Dolso, M Nisoli and M Lucchini   Journal of Optics Active, reactive and instantaneous optical forces on...

《物理世界》（Physics World）是世界领先的物理杂志，并以月刊的形式发送给英国物理学会（IOP）的所有成员。《物理世界》的每一期都涵盖了世界各地科学家都关注的时事新闻和关键问题，包括著名物理学家和科学作家的专题文章、综合新闻和分析，以及精辟的观点文章。 我们将不定期精选出其中的优秀文章，供大家阅读。希望您喜欢阅读本期文章！ 文章介绍 致敬埃米·诺特 中国科学院国家天文台 苟利军 编译自Isabel Rabey. Celebrating Emmy Noether. Physics World，2025，(6)：34 本文选自《物理》2025年第7期   李·菲利普斯(Lee Phillips)在他的首部著作《爱因斯坦的启迪者：埃米·诺特与现代物理的诞生》(Einstein’s Tutor : the Story of Emmy Noether and the Invention of Modern Physics )中，颂扬了德国数学家埃米·诺特(Emmy Noether，1882—1935)的生平与贡献。尽管作为一名犹太裔数学家，诺特的一生充满了种种障碍、不公和歧视，但她却彻底变革了数学领域，并发现了被誉为“整个物理学中最为深刻的成果”。菲利普斯的这本书以“诺特定理”为核心展开叙述，这一定理本身也诞生于现代理论物理发展史中极具魅力的重要时代。     1900年左右的数学天才埃米·诺特   诺特成长的时代，女性的权利十分有限。她无法以正式学生的身份注册入学，只能在父亲的支持下在巴伐利亚的埃尔朗根大学旁听课程，她的父亲正是该校的一名数学教授。当时，年轻的诺特是全校986名学生中仅有的两名女性旁听生之一。就在两年前，该校教师还曾宣称男女同校将会“扰乱学术秩序”。尽管面对如此强大的保守势力，她仍于1903年顺利毕业。 诺特继续追求高级数学知识，前往被誉为“世界数学中心”的哥廷根大学。在那里，她得以聆听那个时代最杰出的数学家们的课程，其中包括施瓦西、闵可夫斯基、布卢门塔尔、克莱因和希尔伯特。就在她求学期间，法律终于发生变化：女性终于被允许以正式学生的身份注册入学。1904年，诺特回到埃尔朗根大学，在保罗·戈尔丹(Paul Gordan)的指导下完成了她的博士论文答辩。当时她是该校唯一一名注册入学的女学生，其他46名学生全为男性。 打破“男性俱乐部”的壁垒 尽管诺特的能力远超一般标准，她在1907年获得博士学位后，却仍无法获得大学的正式职位。她只能无薪工作近十年，代替她的父亲教授课程，并指导他名下的博士生。截至1915年，诺特是全欧洲唯一一位拥有数学博士学位的女性。她努力工作，以求在对称性与不变量理论领域获得认可。最终，她接受了克莱因和希尔伯特的邀请，前往哥廷根与他们一起工作。在那里，他们三人与爱因斯坦会面，讨论他当时最新的研究内容——广义相对论。 在这本书中，菲利普斯生动地描绘了诺特在哥廷根的生活，以及她与克莱因、希尔伯特和爱因斯坦等科学巨擘共事的岁月。这些人物在书中占据了重要位置，使得故事情节更加丰富和生动。事实上，本书前三章的大部分内容刻画的都是这些男性科学家，为诺特的到来铺陈背景。菲利普斯的描述让人不难想象，这些才华横溢而略显怪癖的人物如何共同推进数学和理论物理学的前沿探索。正是在这里，当诺特协助爱因斯坦发展广义相对论时，她发现了一个深刻的结果：宇宙中的每一种对称性，都对应着一个守恒定律。 菲利普斯在书中不断强调，如果没有诺特，爱因斯坦永远无法真正深入理解广义相对论的核心内涵。爱因斯坦本人曾表达过对诺特数学能力的赞叹，他惊讶于自己的方程在诺特手中所呈现出的优雅与普适性——他说：“我从未想过事情可以用如此优雅和普适的方式表达。”菲利普斯认为，爱因斯坦不应被视为广义相对论唯一的创立者。事实上，格罗斯曼、克莱因、贝索、希尔伯特，尤其是诺特的贡献，长期以来都被严重低估，这正是菲利普斯希望通过本书加以纠正的错误认知。 贯穿全书的一个核心主题，是强调诺特所获得的来自同时代男性科学家的支持与协助的重要性。在哥廷根时，为了争取让诺特获得大学任教资格(即教授资格)，曾爆发过激烈的争论。尽管有许多人支持她，但多数人将她视为一个“特例”，认为一般而言，女性并不适合担任大学教授。相反，希尔伯特认为性别无关紧要(他那句著名的话“这里又不是澡堂”，广为流传)，强调科学需要最杰出的人才，而诺特恰好就是其中之一。爱因斯坦也站在维护男女平等权利的角度，为她争取权益。 终于，在1919年，诺特作为特例获得了教授资格，并于1922年被提升为教授。然而，她的工作仍旧是无薪的。实际上，她的晋升还附带了特别条款，明确表示诺特“不被允许对任何男性雇员行使任何形式的权威”。不过，希尔伯特最终还是成功为她争取到了一份来自校方的小额薪资合同。1933年，诺特是纳粹政权上台后首批被解职的犹太学者之一，她的朋友们再次挺身而出。德国数学家Helmut Hasse联合其他14位同事写信呼吁当局重视诺特的学术价值，请求允许她继续向一小批高年级学生授课，但政府拒绝了这一请求。 诺特的遗产 当诺特不得不离开德国时，许多同事为支持她移民而撰写了推荐信，其中一封信写道：“她是当今世界最杰出的十到十二位数学家之一。”然而，她并未被安排进入某所著名的大学或研究机构(例如外尔与爱因斯坦均受邀进入普林斯顿高等研究院，这所机构当时被称为“男性的大学”)；相反，人们推荐她前往位于美国宾夕法尼亚州的布林莫尔学院，这是一所女子学院。推荐信中称，她在那里任职“不会与任何人竞争……这位最杰出的女性数学家，正好与最杰出的女子大学相配”。菲利普斯在书中清晰地表达了自己对这种措辞的反感。然而，各种资料显示，诺特在布林莫尔学院的生活很愉快，并一直在那里工作，直到1935年意外辞世，年仅53岁。 菲利普斯本人拥有理论物理博士学位，并且多年游走于学术界与工业界。他的专业背景也在写作中有所体现，书中偶尔会出现一些不太常见的鲜明印记。虽然整体风格轻松随意、如同闲聊，但也不时夹杂着带有明显学术色彩的措辞(例如：“在本章中，我将解释……”)，这种表述方式出现在一本面向大众的科普读物中，显得略微不合时宜。此外，他也倾向于不断重复地、过于热情地赞美诺特。书评人更偏爱“展示而非讲述”的叙述方法，因为诺特的才华本就足以令人信服，完全可以让读者自行得出结论。 菲利普斯在本书中做出了一个大胆的决定——将对称性和守恒定律等复杂的数学概念以科普的形式介绍给大众读者，这本身就是颇具挑战性的。他竭力描述与诺特定理相关的关键数学和物理概念，但书中的某些内容确实需要读者具备一定大学物理与数学的基础知识才能完全理解。此外，这本书还附带了长达40页的附录，包含大量额外的物理内容，一些评论者认为这些内容实属多余。 《爱因斯坦的启迪者》一书确实成功实现了它的首要目标：让读者熟悉埃米·诺特，以及她在数学与物理领域工作的重要意义。书中的最后一章探讨了诺特的学术遗产，快速而生动地介绍了粒子物理学、天体物理学、量子计算机、经济学甚至XKCD漫画(译者注：XKCD是一部以科学与技术为主题的知名网络漫画，风格幽默，广受科技和学术圈喜爱)等诸多领域的最新进展，展现了诺特定理非凡广泛的影响力。菲利普斯希望通过此书让诺特进入大众视野，这本书正是朝着这个方向迈出的一小步。正如宇宙学家兼作家Katie Mack所言：“诺特定理之于理论物理，正如自然选择之于生物学一样重要。”

IOP出版社与医学物理与工程学会（IPEM）将通过一项新协议加强其长期合作关系，根据该协议，Medical Engineering and Physics（MEP）期刊将转移至IOP出版社平台，同时IOP出版社还将与IPEM合作创办新的金色开放获取期刊Medical Sensors and Imaging（MSI）。 自1972年双方合作推出Physics in Medicine & Biology（PMB）期刊以来，IOP出版社与IPEM的合作已逾50年。此次合作的深化，标志着IPEM旗下四本期刊将统一纳入IOP出版社的出版体系。借助高质量的出版服务、全球传播能力和战略洞察，IOP出版社将助力IPEM期刊扩大影响力，支持其通过物理与工程在医学中的应用改善健康的使命。 MSI与MEP期刊将沿用与PMB和Physiological Measurement（PMEA）一致的严格出版流程，确保所有作者在IPEM期刊中享有一致且高质量的出版体验。每本期刊均由专职主编领导，在物理、工程和医学各学科间提供专业指导与持续发展。这些期刊共同构成一个服务全球科学界的统一出版体系。 所有IPEM期刊将采用统一的投稿与稿件追踪系统，实现快速出版、建设性的同行评审和高标准的学术诚信保障。作者还将受益于双向匿名审稿、联合评审及建设性的审稿意见等举措，推动审稿过程的公平性、透明度与学术诚信。 IPEM首席执行官Gill Collinson表示：“我们很高兴扩大与IOP出版社的长期合作关系，获得我们期望的、以目标为导向且高质量的出版支持。我们期待汇聚领域内的专业力量，打开科研发现的新大门，推动能够改善健康结果、造福大众生活的创新。” IOP出版社全球合作出版总监Violeta Ribarska表示：“IPEM是我们最重要的长期合作伙伴之一，体现了以目标为导向的协作力量。我们始终共同坚守学术诚信优先于盈利的原则。通过资源与专业知识的整合，我们能更好地支持那些推动创新、改善生活并增进我们对世界理解的研究人员。”   扩展领先的生物医学出版领域 MSI与MEP期刊的加入使IOP出版社在生物医学物理与工程领域的期刊总数增至12本。这一扩展反映了该领域在过去十年的强劲增长：2015年至2024年间，年度文章发表量增长了54%，年下载量增长了626%。在覆盖广泛领域的物理学期刊支持下，该出版体系涵盖了医学成像、生物医学传感、医疗健康技术等前沿研究领域，并拓展至量子技术、机器学习、个性化医疗等新兴方向，同时继续深耕生物力学、生物材料和医疗器械开发等核心学科。 欢迎您点击下方链接，了解期刊详情： MSI：https://iopscience.iop.org/journal/2977-8425 MEP：https://iopscience.iop.org/journal/1873-4030 期刊介绍 Medical Sensors & Imaging Medical Sensors & Imaging是一本由IOP出版社代表医学物理与工程学会（IPEM）出版的开放获取期刊，致力于通过物理与生物医学科学交叉领域的创新研究，推动个性化健康的发展。该期刊发表在医学图像处理、分析、可视化及成像仪器设备方面的最新研究成果，以及生物医学传感器的开发与应用。本刊强调跨学科研究，涵盖物理、生物、医学、工程和计算机科学等领域，鼓励推动创新的科研合作。我们致力于发表不仅促进科学理解，同时在改善患者护理和健康结果方面具有实际应用价值的研究成果。 Medical Engineering & Physics Medical Engineering & Physics由IOP出版社代表医学物理与工程学会（IPEM）出版，致力于展示生物医学工程领域的最新进展，体现该学科本质上的多学科交叉特点。该期刊发表深度综述、科研文章和技术简报，为相关领域的研究人员提供重要的交流平台。

The Institute of Physics Publishing (IOPP) and Institute of Physics and Engineering in Medicine (IPEM) are excited to announce an opportunity for an enthusiastic and experienced Editor-in-Chief to lead the launch of our new open access journal, Medical Sensors & Imaging. We are looking for a visionary leader with a deep passion for innovative research at...

《物理世界》（Physics World）是世界领先的物理杂志，并以月刊的形式发送给英国物理学会（IOP）的所有成员。《物理世界》的每一期都涵盖了世界各地科学家都关注的时事新闻和关键问题，包括著名物理学家和科学作家的专题文章、综合新闻和分析，以及精辟的观点文章。我们将不定期精选出其中的优秀文章，供大家阅读。希望您喜欢阅读本期文章！ 文章介绍 冻结的量子箭：量子芝诺效应北京量子信息科学研究院 马彦俊、于海峰 编译自Margaret Harris. Physics World，2025，（5）：31 本文选自《物理》2025年第6期 为庆祝2025国际量子科学与技术年，Physics World 将聚焦一系列“怪异”的量子效应。在它们面前，连量子叠加和量子纠缠都几乎显得平凡无奇。在该系列的首篇文章中，Margaret Harris 将目光投向量子芝诺效应。 想象一下你是一个量子系统。具体来说，你是一个不稳定的量子系统——如果放任不管，会很快从一个状态(我们称其为“清醒”)迅速衰变到另一个状态(“睡眠”)。但每当你要进入“睡眠”时，总会有干扰：或许是手机的消息提示音，或许是一个好奇的孩子不断提问。无论是什么，它都会把你从清醒—睡眠的叠加态中拽出，让你恢复清醒。由于这种干扰发生的速度比你入睡更快，你会一直保持清醒，仿佛被一连串干扰(即量子术语中的“测量”)冻结在了原地。这种反复测量将一个不稳定的量子系统“冻结”在一个特定状态的现象被称为量子芝诺效应(图1)。它得名于古希腊哲学中的一个悖论，最早由科学通才图灵和冯·诺依曼在20世纪50年代提出雏形，但是直到1977年才被物理学家Baidyanath Misra和George Sudarshan完整阐述。 图1  对普通的、经典状态下的一锅水加热，会使它以相同的速度从状态1 (未沸腾)演化到状态2 (沸腾)，无论是否有人在观察它。然而，在量子世界里，如果不对一个系统进行观察，它通常会从一种状态演化到另一种状态(蒙眼芝诺)，但通过反复频繁的测量，它可以被“冻结”在原地(睁眼芝诺)   此后，研究人员已经在数十种量子系统上观测到了这一现象，包括离子阱、超导磁通量子比特和光腔中的原子。但是量子芝诺效应表面上的普遍性并不能掩盖其内在的奇异性。对量子系统来说，“测量”这一简单的举动为何会对系统的行为产生深远的影响？ 被观察的量子锅 “初次接触时，你会觉得这非常神奇，因为它真正展示了量子力学中测量对系统的影响，”德国埃尔朗根-纽伦堡大学的物理学家Daniel Burgarth说，他曾从事量子芝诺效应的理论研究。 研究冷原子量子芝诺效应的英国伯明翰大学的实验物理学家Giovanni Barontini对此表示赞同。“它没有经典的类似物”，他说，“我可以一直观察一个经典系统做某件事，它会继续做下去。但量子系统真的会‘在意’自己是否被观测”。 对于一个世纪前为量子力学奠定基础的物理学家而言，测量与结果之间的任何关联都是一块绊脚石。几位科学家试图绕过这一难题，例如：玻尔和海森伯将观察者在量子波函数坍缩中的作用形式化；德布罗意和玻姆引入新的“隐”变量；甚至休·埃弗雷特提出了“多世界”理论，假设每次测量都会创造新宇宙。 但这些解决方案都未能完全令人满意。事实上，测量问题似乎如此难以解决，以至于下一代大多数物理学家都选择对其避而远之，转而倾向于一种有时被描述为“闭嘴计算”的研究方法——这种描述并非总是带有贬义。 如今的量子物理学家则不同。Barontini将其称为“测量效应的神化”，他们并未将这一现象视为需要克服的障碍或可忽略的琐事，而是在做一件几乎没有前辈能想象到的事：他们正将量子芝诺效应转化为有用的工具。   噪声管理 为了理解通过测量“冻结”量子系统的实用价值，可以考虑量子计算机中的量子比特。许多量子算法首先将量子比特初始化为所需状态，并将其保持在该状态，直到需要执行计算为止。问题在于，量子系统很少能保持在设定的状态。事实上，它们出了名地容易在受到环境的微小干扰(噪声)时失去量子特性(退相干)。“遗憾的是，每当我们构建量子计算机时，都必须将它们嵌入现实世界，而现实世界只会带来麻烦，”Burgarth说。 量子科学家有许多应对环境噪声的策略。其中一些策略是被动的，例如使用稀释制冷机冷却超导量子比特，以及利用电场和磁场将离子和原子量子比特悬浮在真空中。不过，也有一些是主动的策略。实际上，这些主动策略涉及诱使量子比特保持在其应处的状态，而避免进入不应处的状态。 量子芝诺效应就是这样一种“把戏”。“其原理是我们对系统施加一连串的扰动，实际上每次扰动都会使量子比特发生旋转，”Burgarth解释道，“你在旋转这个系统，而实际上环境却想让它朝相反方向旋转。”他补充说，随着时间的推移，这些相反方向的旋转会相互抵消，通过将系统“冻结”在特定状态来保护它免受噪声干扰。   量子态工程 尽管噪声缓解很有用，但这并不是Burgarth和Barontini最感兴趣的量子芝诺效应应用。他们一致认为，真正的价值在于所谓的量子态工程，这比单纯阻止量子系统衰变或旋转要复杂得多。 这种额外复杂性的根源在于，真实的量子系统——就像真实的人类一样——通常拥有不止两种可用状态。例如，一个人可被允许的“清醒”状态集合(我们不妨称之为清醒的希尔伯特空间)可能包括做晚餐、洗碗和打扫浴室等状态。量子态工程的目标是限制这种状态空间，使系统只能占据特定应用所需的状态。 至于量子芝诺效应是如何做到这一点的，Barontini通过引用芝诺最初提出的经典悖论来进行解释。公元前5世纪，埃利亚(Elia)的哲学家芝诺提出了一个基于在空中飞行的箭的悖论。如果你在这支箭飞行过程中的任何一个可能的瞬间去观察它，你会发现，在那个瞬间，它是静止不动的。然而不知为何，这支箭仍然在移动，这是怎么回事呢？ Barontini解释说，在量子版本中，观察这支箭会将其冻结在原地，但这并非唯一发生的现象。“最有趣的是，如果我看向某个地方，箭就无法到达我注视的位置，”他说，“它将不得不绕道而行，必须改变轨迹以避开我的视野范围。” Barontini继续说道，通过塑造这种“视野范围”，物理学家可以塑造系统的行为。作为例子，他引用了Serge Haroche的研究——他与另一位著名的量子芝诺效应实验家David Wineland共同获得了2012年诺贝尔物理学奖。 2014年，Haroche及其在法国巴黎高等师范学院的同事试图控制所谓“里德伯原子”内电子的动力学行为。在这类原子中，最外层电子与原子核的结合非常弱，可以占据多个高激发态中的任意一个。 研究人员利用微波场将51个这样的高激发里德伯态分成两组，然后向系统施加射频脉冲。通常情况下，这些脉冲会导致电子在态之间跃迁。然而，微波场提供的持续“测量”意味着，尽管电子可以在每组态内部移动，但无法从一组跃迁到另一组。它被困住了，或者更准确地说，它处于一种被称为薛定谔猫态的特殊量子叠加态中。 仅仅限制一个电子的行为，这听起来可能并不是非常令人兴奋。但在这项实验以及其他实验中，Haroche及其同事们证明了，施加这样的限制会产生一系列不寻常的量子态。这就好像是告诉一个系统它不能做什么，反而迫使它去做一堆其他的事情，就如同一个拖延者为了逃避打扫浴室而去做晚饭和洗碗一样。“这确实丰富了你的量子工具库，”Barontini解释道，“你能够生成一种纠缠态，这种纠缠态比你用传统方法所能生成的其他量子态的纠缠程度更高，或者从方法学角度来说更有用。”   那么，测量究竟是什么？ 除了生成有趣的量子态外，量子芝诺效应还在揭示量子测量的本质方面提供了新见解。事实证明，就量子芝诺效应而言，“测量”的构成问题出人意料的宽泛。2014年，意大利佛罗伦萨大学Augusto Smerzi领导的物理学家团队巧妙地证明了这一点。他们的研究表明，只需用共振激光照射量子系统(图2)，就能产生与更复杂的“投影”测量相同的量子芝诺动力学效应。在该实验中，投影测量涉及以针对特定原子跃迁定制的频率向系统施加成对激光脉冲。“可以说，几乎任何事物都会引发芝诺效应，”Burgarth说，“这是一种非常普遍且易于触发的现象。” 图2　超冷87Rb原子群的能级结构，在由F=2超精细基态的5个自旋方向给出的5能级希尔伯特空间中演化。施加其上的射频电磁场(红色箭头)可以把临近量子态耦合在一起并且允许原子在不同态之间跃迁。一般而言，最初处于|F, mF>=|2, 2>态的原子会在这个态和其他4个F=2态之间循环往复，这一过程被称为拉比振荡。但是，通过引入“测量”——此处显示为与|1,...

日期：2025年6月18日，周三时间：北京时间晚9:00-10:30 IOP出版社旗下Neuromorphic Computing and Engineering （NCE）期刊主办的在线研讨会将聚焦神经形态计算，定于北京时间2025年6月18日周三21:00线上召开。 研讨会详情 There are two main approaches to what we consider neuromorphic computing. The first involves emulating biological neural processing systems through the physics of computation of computational substrates that have similar properties and constraints as real neural systems, with potential for denser structures and advantages in energy cost. The...

《物理世界》（Physics World）是世界领先的物理杂志，并以月刊的形式发送给英国物理学会（IOP）的所有成员。《物理世界》的每一期都涵盖了世界各地科学家都关注的时事新闻和关键问题，包括著名物理学家和科学作家的专题文章、综合新闻和分析，以及精辟的观点文章。我们将不定期精选出其中的优秀文章，供大家阅读。希望您喜欢阅读本期文章！ 文章介绍 一份物理学家的冰淇淋指南：全球最受欢迎甜点背后的复杂科学 中国科学院物理研究所 王立芬 编译自Hamish Johnston. Physics World，2025，(4)：23 本文选自《物理》2025年第5期   冰淇淋到底是什么？对大多数人来说，它是美味的冷冻甜点，但对像Douglas Goff这样的食品科学家来说，它也是物理和化学的奇迹。冰淇淋是复杂的多相材料，包含了乳液、泡沫、晶体、溶质和溶剂。无论是在家庭厨房还是在商业规模化的生产中，冰淇淋都需要成分比例的精确调配，以及在混合、搅拌和冷冻过程中的精确控制。 Goff是在加拿大圭尔夫大学的食品科学研究员，也是冰淇淋科学的专家。除了研究冰淇淋中的结构和成分功能等课题外，Goff还是圭尔夫大学年度冰淇淋课程的讲师。该课程自1914年开授，是该大学历史最悠久的课程。 在与Physics World杂志的Hamish Johnston进行的对话中，Goff解释了冰淇淋的科学原理，为什么制作素食冰淇淋如此困难，以及他的团队如何在进行电子显微镜实验时不让样品融化。 冰淇淋的材料性质冰淇淋是非常复杂的多相系统。它初始是一种乳液，其中脂肪微粒分散在含糖的水溶液中。接着，通过搅拌乳液引入了空气相，这个过程被称为发泡(图1)。因此，在一个冰淇淋桶中，大约有一半体积来自于空气的贡献。这些空气形成的细小气泡均匀分散在发泡乳液中。 然后，部分冻结使得发泡乳液中至少一半的水转变为微小的冰晶，而剩余的未冻结相是使冰淇淋保持柔软、易舀取且可口的主因。并未被完全冻结的原因是溶解在乳液中的糖分降低了冰点。 这样的流程下来，就得到了呈乳液状的脂肪微粒、泡沫式的气泡、部分结晶的冰晶溶剂，以及浓缩的糖溶液。   冰淇淋中不同相的空间尺度是多少？ 电子显微技术显示脂肪微粒的直径约为一微米，而空气泡的直径通常在20—30µm之间，冰晶的大小在10—20µm的范围内。   商业化制作与在家庭厨房制作的冰淇淋有哪些重大差异？ 无论是在家庭厨房的冰淇淋机中，还是在工厂操作中，冷冻和搅拌是同时进行的。厨房中制作的冰淇淋与商业化工厂中制作的冰淇淋之间最大的区别在于冰淇淋的结构。自制的冰淇淋保存一两天是可以的，但很快就会变得硬邦邦，而我们预期商业化制作的冰淇淋会有几个月到一年的保质期。这是由于冰相随着时间的推移所经历的演变方式不同，即取决于不同的再结晶过程。如果温度升高，冰淇淋会开始融化。当温度再次降低时，水会重新冻结成冰相，但不会产生新的冰晶，而是会在已有的冰晶上生长。 这意味着，如果冰淇淋在储存冰期间经历很大的温度波动，它会比在恒定温度下储存时更快降解并变成冰块。温度越高，再结晶的速度就越快。商业冷冻设备能够产生比自制冰淇淋机更小的冰晶尺寸。低温和恒定温度的储存是大家追求的目标，因此在演变发生之前，温度越低、越恒定，初始冰晶越小，冰淇淋的保质期就越长。 还有另外一个影响冰淇淋长期储存的结构因素。当未冻结的含糖溶剂相浓缩到足够程度时，它可以经历玻璃化转变(图1)。玻璃态是一种非晶固体，因此如果这种情况发生，系统内的水或溶质将不会移动，它可以保持多年不变。对于冰淇淋来说，玻璃化转变温度约为-28℃至-32℃，因此如果要实现长期储存，就必须将温度降低到低于这个玻璃化转变温度。   图1 冰淇淋中的不同相。乳液：有些液体是不互溶的，如油和水，将一种液体加入到另一种液体后无法混合。如果一种液体的许多液滴可以在另一种液体中稳定存在而不发生聚结，那么所得到的混合物称为乳液(左图)。泡沫：泡沫与乳液类似，由两个相组成，其中一种相分散在另一种相中。在泡沫的情况下，许多细小的气泡被困在液体或固体中(右图)。玻璃态：当一种液体被冷却到低于某一温度时，它通常会发生一阶相变，变成晶体。然而，如果一种液体可以在不结晶的情况下冷却到其冰点以下(过冷)，例如，当它被迅速冷却时，它可能会形成玻璃态——一种具有无序液体状结构但具备固体机械性能的非晶体固体。玻璃态形成的温度，其特征是材料粘度的快速增加，被称为玻璃化转变温度   第三个因素是添加稳定剂。这些稳定剂包括洋槐豆胶、瓜尔胶或纤维素胶，还有一些新型的稳定剂。它们的作用是增加未冻结相的粘度。这减缓了冰再结晶的速度，因为它减缓了水的扩散和冰的生长。 还有一些其他新型的添加剂可以防止冰转变为大晶体。其中一种叫做单硬脂酸丙二醇酯，它会吸附在冰晶的表面，防止其在温度波动时生长。这种现象在自然界中也能看到，一些生活在寒冷环境中的昆虫、鱼类和植物物种，其血液和组织中含有可以控制冰生长的蛋白质。例如，许多鱼类在体内潜藏着微小的冰晶，但这些蛋白质能够防止晶体生长到足以造成伤害的程度。 添加香料如何改变冰淇淋的制造过程？ 全球各地的冰淇淋有成百上千种不同的口味，一个重要的问题是香料会不会影响溶液或乳液。 例如，巧克力豆是惰性的，它与其他成分完全不发生相互作用。而草莓则会对系统产生很大影响，因为水果制品中的糖分含量很高。我们需要在水果制品中添加糖，以确保它比冰淇淋本身更软。但问题是，其中的一些糖会扩散到未冻结的水相中，从而降低其冰点。这意味着，由于额外添加的糖，即使配方完全相同，草莓冰淇淋会比香草冰淇淋更软。 另一个例子是酒精口味，从朗姆酒到百利甜或法兰杰利可酒，甚至红酒和啤酒，这些都非常受欢迎。但酒精会降低冰点，因此如果添加足够的酒精以获得所需的风味强度，产品就难以冷冻。在这种情况下，就需要减少酒精的用量，并多加一点去酒精化香料。 当前可以尝试用任何口味制作冰淇淋，但需要考虑这种口味的香料将对结构、保质期等方面产生的影响。 素食冰淇淋与乳制品冰淇淋相比，其制备和成分有什么不同？ 很多方面都是相似的。素食也有乳化的脂肪来源，通常是椰子油或棕榈仁油，然后还有糖、稳定剂等，这些在乳制品冰淇淋中也会存在，不同之处在于蛋白质。牛奶蛋白既是一种非常好的泡沫剂，又是一种非常好的乳化剂(乳化剂和泡沫剂是能够稳定泡沫和乳液的分子，这些分子附着在液滴或气泡的表面，防止它们彼此合并)。植物蛋白则很难做到这两点，所以在腰果、杏仁或大豆基的产品中会发现额外的成分，以提供原本可以从牛奶蛋白中获得的功能。   用什么技术来研究冰淇淋？在实验过程中如何防止冰淇淋融化？ 我们用于研究的仪器主要包括颗粒大小分析仪、电子显微镜和研究材料流动和变形的流变仪(图2)。首先是激光光散射技术，它能告诉我们关于脂肪小球和脂肪结构所需的所有信息。我们也大量地使用光学显微镜。具体是将显微镜放置在冰箱或冷却箱中，或者使用冷台，将冰淇淋放在载玻片上，放置在用液氮冷却的腔体内。电子显微镜方面，冷冻扫描电子显微镜(SEM)实验自身有低温装置，可以研究冰淇淋中的物相。 图2 冰淇淋中的物理实验技术主要包括流变学、动态光散射、电子显微技术、临界点干燥技术等 透射电子显微镜(TEM)实验方法稍有区别。TEM不在冷冻环境中进行实验，而是使用一种“固定”结构的化学物质，通常结合使用一种称为“临界点干燥”的技术对冰淇淋进行干燥，然后将其切成薄样本，并使用TEM进行研究。   经过几十年的冰淇淋研究，你仍然对此感到兴奋吗？ 当然。我很幸运地有机会去过很多有趣的国家，每到一处我都会观察冰淇淋市场的情况。这不仅仅是出于专业考量，我也想了解世界各地的动态，以便与他人分享。但当然，冰淇淋怎么会有错呢？这种产品太有趣了，能够与之关联真是太好了。

(南方科技大学 鲁大为 编译自 Andrey Feldman. Physics World, 2025, (3): 11) 这种被称为“仲粒子”(paraparticle)的新粒子具有迥异于玻色子与费米子的统计特性，理论预测它有可能在超冷原子体系中观测到1）。 美国莱斯大学的 Kaden Hazzard与其前研究生、现就职于德国马克·普朗克量子光学研究所的 Zhiyuan Wang合作提出了一类名为“仲粒子”的新型粒子。他们的计算表明，仲粒子表现出的量子特性与人们熟知的玻色子（如光子）和费米子（如电子）存在本质不同。该理论工作近期发表于 Nature (2025, 637: 314)。     Zhiyuan Wang 和 Kaden Hazzard 认为，伸粒子可能在超冷原子系统中涌现   在量子力学中，粒子及准粒子 (quasiparticle, 凝聚态体系中呈现出的粒子集体激发)的行为本质上是概率性的，并由波函数描述。波函数决定了在特定状态下找到粒子的可能性，这些状态由诸如位置、速度、自旋等性质定义。粒子的交换统计决定了当两个全同粒子交换彼此位置后其波函数的变化规律。 玻色子交换位置后，其波函数保持不变，故而允许多个玻色子占据相同的量子态。此特性是激光与超流现象的量子基础。反之，费米子交换位置会引发波函数的符号翻转，即从正变成负或从负变成正。这种反对称性不允许费米子占据同一量子态，并由此衍生出泡利不相容原理。该原理不仅构筑了原子的电子壳层结构，更诠释了元素周期律的本质。 传统理论认为，三维空间中仅允许两种粒子统计，即基于玻色子的玻色—爱因斯坦统计和基于费米子的费米—狄拉克统计2)。该结论完全符合局域性3)和因果律4)等基本原理的要求。Hazzard 和 Wang 突破这一认知框架，证明满足局域性与因果律的新型仲统计在三维系统中同样具有理论可行性。“仲粒子的交换统计既不同于费米子的反对称性，也区别于玻色子的对称性，却完全兼容局域性和因果律等基础物理原理”，Hazzard 强调。 仲粒子的特殊性源于其内禀的隐藏参数。除位置、自旋等常规属性外，仲粒子还需要引入额外自由度来完善描述其更加复杂的波函数和非平庸变换特性。这种结构使得仲粒子能够呈现出超越玻色子与费米子的交换统计特性，其统计行为近似介于两者之间。例如，费米子无法占据同一量子态，但最多两个仲粒子却被允许共存于同一空间点位。这展现出一种介于费米子排他性与玻色子聚集性之间的某种“平衡”。 虽然自然界尚未发现具有仲统计特性的基本粒子，研究人员推测仲粒子可能会以准粒子形式涌现于人工量子系统。此机制类似于半导体中受激电子脱离价带后形成的空穴。价带中留下的空穴表现得像一个带正电的粒子，其迁移行为主导了半导体的导电特性。 超冷原子实验平台可能是另一种寻找仲粒子的途径。他们正与实验组合作探索这种可能性。“我们正试图（在超冷原子体系中）寻找仲粒子，”Wang 透露。在超冷原子实验中，激光和磁场被用来捕获和操控接近绝对零度的原子。在这些条件下，原子能够模拟更为奇异的粒子行为。研究团队希望此类实验装置能够诱导出高维系统（如三维空间）中的伸粒子行为。不过，现阶段的实验设计仍需理论模型的进一步指导。 若得以验证，仲粒子或将对物理学及相关技术产生深远影响。费米子和玻色子的统计性质大大加深了人类对中子星稳定性和超导现象等一系列问题的理解。类似地，仲粒子也可能解锁人类对于量子世界的新认知。正如 Hazzard 所述：“费米统计解释了材料的金属和绝缘体分类，以及元素周期表的结构。（基于玻色子的）玻色—爱因斯坦凝聚揭示了超流现象的本质。仲统计可能孕育尚未知晓的物态，这令人充满期待。”   1) 依据中国物理学会物理学会调查委员会于2019年修订的《物理学名词(第3版)》，parastatistics 规范译名为“仲统计法”。依格尔森统计规则的“paraparticle”译为“仲粒子”。“仲”字取“伯仲叔季”之序，暗喻其统计性质介于玻色子与费米子之间。——译者注 2) 二维空间中还存在任意子分数统计。——译者注 3) 发生于空间中某一点的事件不能瞬时影响距离之外的其他点。——译者注 4) 在任何参考系中都不能观察到结果先于原因出现。——译者注...

Deep decarbonization requires fundamental changes in meeting energy service demands, with some efforts increasing overall costs. Examining abatement measures in isolation, however, fails to capture their interactive effects within the energy system. Here we show the abatement costs of decarbonization in the United States using an energy system optimization model to capture technological interactions, multi-decadal...