盘点：2021年度物理学十大突破｜《物理世界》(2)

量化波粒二象性

韩国基础科学研究所的尹太贤（Tai Hyun Yoon）、赵敏行（Minhaeng Cho），美国史蒂文斯理工学院的钱晓峰（Xiaofeng Qian）和美国德州农工大学的吉里什·阿加瓦尔（Girish Agarwal）通过理论和实验，量化了光子的“波动度”和“粒子度”，并且证明，这两项性质都与光子源的纯度相关。Yoon和Cho在实验中严格地控制两个铌酸锂晶体发出的光子对（“信号光子”和“闲置光子”）的量子态。他俩通过独立改变每个晶体释放光子的概率以及一个钱和阿加瓦尔在2020年率先提出的简单数学表达式证明了所谓的“光子源纯度”与能否在实验中看到干涉条纹（一种波动属性）以及路径不可区分现象（一种粒子属性）有关。

这项成果在量子信息领域大有作用，并且能够让我们重新认识互补性原理。所谓“互补性”，最早是由量子理论先驱尼尔斯·玻尔在20世纪初提出的，这个概念是说，量子物体有时表现得像波，有时表现得像粒子。

激光聚变里程碑

燃烧美元的问题：美国国家点火装置总耗资已达35亿美元，现在，科学家终于接近实现点火的终极目标了——聚变反应产生的能量不小于输入的激光携带的能量

在美国加利福尼亚州的美国国家点火装置（NIF）工作的奥马尔·哈利卡恩（Omar Hurricane）、安妮·克里特切尔（Annie Kritcher）、阿莱克斯·兹尔斯特拉（Alex Zylstra）、黛比·卡拉翰（Debbie Callahan） 及其同事，朝着实现“点火”的终极目标又迈进了一步。

早在10年前，美国国家点火装置就启动了，其长期目标是证明它可以达到点火的条件——聚变反应产生的能量不小于输入的激光携带的能量。管理美国国家点火装置的是劳伦斯利弗莫尔国家实验室。研究人员用192束脉冲激光轰击一个1厘米长的空心金属圆柱体（黑体辐射空腔）表面。圆柱体内部有一个燃料胶囊——一个直径在2毫米左右、内部涂有一层薄氘-氚的空心球壳。

2009—2012年间的实验结果表明，美国国家点火装置距实现“点火”还差得很远。于是，研究人员只好回到设计阶段加以改进。

今年8月8日，他们的努力终于收获了回报：点火装置的能量场超过了1.3MJ，这大概是脉冲激光束给点火装置输入能量的70%了。虽然这个数字仍旧没有达到最终目标（投入产出平衡），但已经远优于此前0.1MJ左右的实验结果。

部分专家甚至认为，这项成果是自1972年惯性聚变诞生以来的最大进展。

粒子冷却新技术

欧洲核子研究中心反氢激光物理装置（ALPHA）以及重子反重子对称性实验（BASE）的研究人员通过两项独立的研究得到了冷却粒子和反粒子的新方法。这些技术为精确检验宇宙物质-反物质不对称性的研究打下了基础。

反氢激光物理装置的研究人员首次证明，可以用激光冷却反氢原子。为此，他们开发了一种能够产生121.6纳米脉冲的新型激光，以冷却反原子。

随后，他们又以前所未有的精确度测量了反氢原子中的一项关键电子跃迁。这一突破为日后进一步检验反物质的其他关键特性奠定了基础。

与此同时，重子反重子对称性实验的研究人员则证明了如何通过与数厘米外激光冷却离子云相连的超导电路从单个质子中汲取热量——他们称，这项技术稍加改进就能应用于反质子。

观测到黑洞磁场

磁旋：偏振光下的超大质量黑洞M87*图像。图中的线代表偏振方向，与黑洞阴影周围的磁场相关

视界望远镜得到了第一张显示超大质量黑洞附近区域光偏振情况的图像。这种偏振现象表明，在物质加速进入黑洞M87*（这个黑洞的质量超过太阳的60亿倍）的区域存在强磁场。进一步的研究或许将有助于我们究明，某些黑洞如何形成将物质和辐射喷发到周遭宇宙空间中的巨大喷流。

2019年，视界望远镜就曾因捕捉第一张黑洞阴影照片而创造历史，并凭此荣获2019年《物理世界》物理学年度突破大奖。

实现对原子核的量子相干控制

德意志电子同步加速器、欧洲同步辐射实验室（位于法国）、海德堡马克斯-普朗克核物理研究所的约尔格·埃夫斯（J?rg Evers ）及其同事率先实现了对原子核激发的量子相干控制。

这个研究团队通过两个超短脉冲将同步加速器产生的X射线送入原子核中。他们通过调整脉冲相位实现了铁原子核在相干增强激发和相干增强发射之间的切换。除了可以促使我们更好地认识量子物质，这项成果还可能加速新技术的发展，比如超精准的核时钟以及可以储存大量能量的电池。

文章来源：《物理学进展》 网址: http://www.wlxjzzz.cn/zonghexinwen/2022/0124/1244.html