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　　江蘇省(sheng)三項基礎研究成果入選(xuan)二〇二四年度(du)“中國科(ke)學十大進展”——

探秘“最前沿”
勇攀“新高峰”

　　“凝(ning)聚(ju)態物質中(zhong)引力子(zi)模(mo)的(de)實驗發現(xian)”“高能量轉化(hua)效(xiao)率錒系輻(fu)射光伏微(wei)(wei)核電(dian)池的(de)創制”“發現(xian)超大質量黑洞影響宿主星系形成(cheng)(cheng)演化(hua)的(de)重(zhong)要證據”……近日(ri)，2024年度“中(zhong)國科學十大進展”正式揭曉(xiao)，我省(sheng)3項基礎研(yan)究成(cheng)(cheng)果(guo)入選，取得歷史性(xing)突(tu)破(po)。這些開拓(tuo)性(xing)成(cheng)(cheng)果(guo)均來自高校，從量子(zi)物理的(de)微(wei)(wei)觀(guan)世界到(dao)核能技術的(de)革新突(tu)破(po)，再(zai)到(dao)宇宙天(tian)體的(de)演化(hua)奧秘，科研(yan)團(tuan)隊以“頂天(tian)立地”的(de)探索精神(shen)，生動詮釋了我省(sheng)教育、科技、人(ren)才一體化(hua)發展的(de)戰略成(cheng)(cheng)效(xiao)。日(ri)前，記者采訪了3項科研(yan)成(cheng)(cheng)果(guo)的(de)主要完(wan)成(cheng)(cheng)人(ren)，聆聽他們講述“從0到(dao)1”的(de)攀登之路。

　　1、新發現：在量子空間捕捉“引力子”蹤跡

　　引(yin)力波(bo)是愛因斯(si)坦(tan)廣義相對論預言的(de)神(shen)奇現象，宇(yu)宙中的(de)巨型(xing)天體碰撞時會產生振蕩，形成引(yin)力波(bo)。這也(ye)引(yin)發(fa)物理科學(xue)(xue)家思考引(yin)力波(bo)的(de)本質：在(zai)小尺度，例如低維量(liang)子空(kong)間里，可(ke)否激(ji)發(fa)類似引(yin)力波(bo)的(de)量(liang)子化現象?南京大學(xue)(xue)物理學(xue)(xue)院教授(shou)杜靈杰(jie)的(de)團(tuan)隊在(zai)這個(ge)問題上取得了重大進展。

　　廣義(yi)相對(dui)論和量(liang)子(zi)(zi)力學(xue)(xue)的(de)統一，是物理學(xue)(xue)界公(gong)認(ren)的(de)“終極問題(ti)”。引(yin)力子(zi)(zi)作為(wei)引(yin)力波(bo)所(suo)對(dui)應(ying)的(de)自旋(xuan)2的(de)假想粒(li)子(zi)(zi)，被視為(wei)連接兩大理論的(de)關鍵，但其(qi)探測難度堪稱“宇宙級(ji)”。杜靈(ling)杰說：“著名英國物理學(xue)(xue)家戴森(sen)做過一個估(gu)計：如果把整(zheng)個地球作為(wei)探測器(qi)，在最理想的(de)情況(kuang)下，我們(men)需(xu)要(yao)10億年才能探測到1個來自太陽的(de)引(yin)力子(zi)(zi)。還有人預估(gu)需(xu)要(yao)建造像太陽系一樣大的(de)對(dui)撞機，這些是遠超(chao)人類現有科(ke)技(ji)水平的(de)。”

　　理論推測，分(fen)數(shu)量(liang)子(zi)霍(huo)爾效(xiao)應(ying)中(zhong)或涌現出類引力(li)子(zi)，這種凝(ning)聚態準(zhun)粒子(zi)是自旋(xuan)2的(de)低能模式激(ji)發(fa)(稱為引力(li)子(zi)模或引力(li)子(zi)激(ji)發(fa))，但一直(zhi)未能觀(guan)測到(dao)。杜靈杰團(tuan)隊(dui)(dui)正(zheng)是在(zai)分(fen)數(shu)量(liang)子(zi)霍(huo)爾效(xiao)應(ying)中(zhong)首次觀(guan)察到(dao)引力(li)子(zi)模的(de)。2024年，團(tuan)隊(dui)(dui)利用自主研發(fa)搭建的(de)“極低溫(wen)強磁場共振非彈性偏振光散射系統(tong)”，在(zai)砷化鎵(jia)半導(dao)體量(liang)子(zi)阱中(zhong)觀(guan)察到(dao)了分(fen)數(shu)量(liang)子(zi)霍(huo)爾引力(li)子(zi)，并(bing)從(cong)自旋(xuan)、動能、能量(liang)3個角度確(que)認(ren)了相關實驗(yan)數(shu)據。

　　談及(ji)實驗條件(jian)，杜靈杰連(lian)用3個“特(te)別(bie)”：特(te)別(bie)低的溫度(du)(du)，接近絕對零度(du)(du);特(te)別(bie)強的磁(ci)場，是(shi)地球平均磁(ci)場的10萬倍;特(te)別(bie)低的能量，大約只有十幾赫茲。“無論是(shi)儀器搭建，還是(shi)實驗測量，都困(kun)難(nan)重(zhong)重(zhong)，但最終我們(men)成(cheng)功解決了這(zhe)些問(wen)題。”據了解，這(zhe)是(shi)自20世紀30年(nian)代(dai)引力(li)子(zi)概念提(ti)出以來，人類(lei)歷(li)史上首(shou)次觀(guan)測到有引力(li)子(zi)特(te)征的準粒子(zi)，對量子(zi)領域的研究意義重(zhong)大。除了入(ru)選(xuan)(xuan)2024年(nian)度(du)(du)“中(zhong)國科學十大進展”外，這(zhe)一重(zhong)大成(cheng)果也同(tong)時(shi)入(ru)選(xuan)(xuan)“兩院(yuan)院(yuan)士評選(xuan)(xuan)2024年(nian)中(zhong)國十大科技(ji)進展新聞”。

　　無論是從(cong)實驗技(ji)術角度還是從(cong)基礎物理創(chuang)新(xin)(xin)角度，杜靈杰(jie)團隊(dui)都完(wan)成了(le)“從(cong)0到1”的(de)突破。實驗結果(guo)證實了(le)分數量(liang)子(zi)霍爾效(xiao)應新(xin)(xin)的(de)幾何描述，有望推(tui)動半(ban)導(dao)體電子(zi)系統微觀結構(gou)探測及拓(tuo)撲量(liang)子(zi)計算發展。“該研究為我們(men)提供了(le)探索(suo)解決量(liang)子(zi)引力問題的(de)新(xin)(xin)思路，未來(lai)人(ren)們(men)可以在(zai)‘人(ren)造實驗室’探索(suo)宇宙尺(chi)度物理。”中國科學院物理研究所(suo)副所(suo)長胡江平解讀道(dao)。

　　作為一名“80后”科(ke)(ke)研工(gong)作者，杜靈杰坦言，之(zhi)所以能夠(gou)堅持5年耕耘不輟，離不開學(xue)校和科(ke)(ke)技部門的(de)(de)(de)(de)政策支撐。“在這個過程(cheng)中(zhong)，省里給了很多支持，比如科(ke)(ke)技部門發起的(de)(de)(de)(de)‘攀登’項目。省物理科(ke)(ke)學(xue)研究(jiu)中(zhong)心在我們項目經費(fei)緊缺的(de)(de)(de)(de)時候(hou)也(ye)提供了關鍵性的(de)(de)(de)(de)幫助，讓我們有(you)信心把‘冷板凳’坐熱(re)，在基礎研究(jiu)這條路(lu)上(shang)繼續走下去。”

　　2、新思路：推動放射性廢物的資源化利用

　　核(he)能(neng)快速發(fa)(fa)展，伴隨而(er)來的(de)(de)是大(da)量核(he)廢(fei)料。其(qi)中，半衰期(qi)(qi)長達數千(qian)年(nian)到百萬年(nian)的(de)(de)錒(a)(a)(a)(a)系(xi)(xi)(xi)核(he)素長期(qi)(qi)被視為(wei)環境負擔。錒(a)(a)(a)(a)系(xi)(xi)(xi)核(he)素的(de)(de)放射性(核(he)衰變)本質(zhi)上是一種源源不斷的(de)(de)能(neng)量，如果能(neng)轉化，將有效促進錒(a)(a)(a)(a)系(xi)(xi)(xi)核(he)素資源化利用(yong)。一個可行的(de)(de)方案(an)是將其(qi)核(he)衰變轉電(dian)，然而(er)，錒(a)(a)(a)(a)系(xi)(xi)(xi)核(he)素的(de)(de)阿爾法衰變在傳統微型核(he)電(dian)池(chi)(chi)結構中存在強烈的(de)(de)自吸(xi)收效應(ying)，使得開發(fa)(fa)高(gao)效錒(a)(a)(a)(a)系(xi)(xi)(xi)放射性同位素微核(he)電(dian)池(chi)(chi)極具挑(tiao)戰。

　　蘇(su)州大學(xue)放射(she)醫學(xue)與輻射(she)防護(hu)國家重點實驗室教授(shou)王殳凹、王亞(ya)星團隊聯合多(duo)個科研機(ji)構，提(ti)出(chu)了(le)(le)(le)基于“聚結型(xing)能(neng)量轉換(huan)器”的錒(a)系微型(xing)核電(dian)池(chi)結構設計理念，在分子級別上將放射(she)性(xing)核素與能(neng)量轉換(huan)單元緊密耦合，從(cong)根本上克服了(le)(le)(le)自吸收效應，使衰變(bian)能(neng)轉化效率提(ti)升了(le)(le)(le)8000倍，實現了(le)(le)(le)轉化效率質的飛躍。

　　“傳(chuan)統的(de)(de)錒系(xi)放射(she)性(xing)(xing)同位素電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)，能(neng)量轉化(hua)效率只有1‰不(bu)到(dao)，而我們的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)結構設計能(neng)夠將(jiang)其提升到(dao)1%，理想化(hua)狀態可能(neng)提升至10%。”王殳凹表示(shi)，該研(yan)究結合(he)光伏電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)技術，將(jiang)輻射(she)自發光轉化(hua)為電(dian)(dian)(dian)能(neng)輸出，開(kai)發出新型錒系(xi)輻射(she)光伏核電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)，達(da)到(dao)了此類電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)最高的(de)(de)能(neng)量轉換效率。實驗中，團隊(dui)研(yan)制的(de)(de)微型核電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)在連續運行200小時(shi)的(de)(de)測試中展現出優異(yi)的(de)(de)性(xing)(xing)能(neng)穩定性(xing)(xing)。

　　據了解，該項進展是近(jin)幾(ji)十年來(lai)核電(dian)池(chi)領域的重要突破之一，通(tong)過創新設計，將核廢料(liao)中錒系核素衰變(bian)釋放(fang)的能(neng)量轉化為(wei)持久(jiu)電(dian)能(neng)，實現(xian)變(bian)廢為(wei)寶。在(zai)全球能(neng)源需(xu)求(qiu)不(bu)斷增長(chang)的背景(jing)下，其潛在(zai)應用(yong)場(chang)景(jing)也非常(chang)廣(guang)泛。“能(neng)量轉化效率提(ti)升后，放(fang)射性核素用(yong)量減(jian)少，成本(ben)降低，安全性卻更高。”王殳凹介紹說(shuo)，未(wei)來(lai)微(wei)型(xing)核電(dian)池(chi)有望(wang)在(zai)微(wei)型(xing)傳感(gan)器、醫療植入器械以及不(bu)易換電(dian)的場(chang)合(he)提(ti)供更為(wei)持久(jiu)的電(dian)力支持。

　　“這是一個非常(chang)新穎且(qie)基礎(chu)性的方案。”中國科學院院士、核物理學家、復旦(dan)大學副校長馬余剛解讀說。這一錒(a)系輻射光伏(fu)核電池設(she)計思(si)路，在錒(a)系元(yuan)素化(hua)學與能量(liang)轉換器(qi)件之間架起橋(qiao)梁，兼具基礎(chu)研究深度和潛在應用(yong)前景，為高效微型(xing)核電池開發提供了(le)理論基礎(chu)，也為放射性廢物的資源化(hua)利用(yong)提供了(le)新的思(si)路。

　　王殳凹表示，他們(men)的研究(jiu)(jiu)團(tuan)隊(dui)中既(ji)有“80后”主力，也有經(jing)驗豐富的合作(zuo)者(zhe)。“蘇大(da)團(tuan)隊(dui)承擔了絕大(da)部分工作(zuo)，湘(xiang)潭大(da)學歐陽曉平院士(shi)也在輻(fu)射探測材料、輻(fu)射能轉化等理論方面給予我們(men)關鍵指導。核(he)能放(fang)射化學研究(jiu)(jiu)既(ji)面向世界(jie)科技前沿，又(you)能服務(wu)國(guo)家重大(da)需求(qiu)。國(guo)內每年有很多基礎研究(jiu)(jiu)的重大(da)成(cheng)果，我們(men)的成(cheng)果能夠入選，我感到非常榮幸。”王殳凹說(shuo)。

　　3、新探索：揭開星系生死之謎的關鍵一步

　　“黑洞之于星(xing)系(xi)就像(xiang)腫瘤之于人體，它還小的(de)(de)時候對宿主影響不大(da)，一旦長得(de)過(guo)快過(guo)大(da)，就會嚴重(zhong)扼(e)殺星(xing)系(xi)制造新的(de)(de)恒星(xing)的(de)(de)能力。”南京大(da)學(xue)天文與空間(jian)科學(xue)學(xue)院教授王濤(tao)用這樣一個生動的(de)(de)比喻，向記(ji)者揭示了團隊研(yan)究成(cheng)果的(de)(de)核心邏(luo)輯。

圖為南京大學(xue)天文(wen)與空間科學(xue)學(xue)院王濤(tao)教授(左(zuo)二(er))帶(dai)領(ling)團隊成員開展(zhan)研究

　　星系(xi)(xi)是構成宇(yu)宙的(de)(de)(de)基本單位，探索其(qi)從“生”(恒(heng)星形(xing)成星系(xi)(xi))到“死(si)”(寧靜星系(xi)(xi))的(de)(de)(de)演化機制，一(yi)直是星系(xi)(xi)宇(yu)宙學的(de)(de)(de)核心(xin)任務之一(yi)。20世紀(ji)70年代，有科(ke)學家(jia)提出，星系(xi)(xi)中心(xin)的(de)(de)(de)超大(da)質(zhi)量黑洞在吸積(ji)物(wu)質(zhi)過程中釋(shi)放的(de)(de)(de)巨大(da)能量對星系(xi)(xi)的(de)(de)(de)形(xing)成演化具有重(zhong)要作(zuo)用。然而，黑洞是否(fou)影響(xiang)以(yi)及如(ru)何影響(xiang)星系(xi)(xi)的(de)(de)(de)形(xing)成演化，卻一(yi)直缺乏明確的(de)(de)(de)觀測支持。

　　針對這一重(zhong)要科學問(wen)題，王濤教授團隊歷時3年多，創新(xin)性地從探索近鄰星(xing)(xing)系的(de)黑(hei)洞(dong)質(zhi)量(liang)與星(xing)(xing)系中原(yuan)子(zi)氫(qing)氣體的(de)含(han)量(liang)之間的(de)關系入手，首次揭示(shi)了(le)星(xing)(xing)系中心黑(hei)洞(dong)的(de)質(zhi)量(liang)是調制星(xing)(xing)系中原(yuan)子(zi)氫(qing)氣體含(han)量(liang)最關鍵的(de)物理(li)量(liang)：中心黑(hei)洞(dong)質(zhi)量(liang)越高的(de)星(xing)(xing)系，其原(yuan)子(zi)氫(qing)氣體含(han)量(liang)越低。

　　原(yuan)子氫氣(qi)體(ti)(ti)是(shi)(shi)星(xing)(xing)系(xi)冷(leng)氣(qi)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)主(zhu)要(yao)組成部分，而(er)冷(leng)氣(qi)體(ti)(ti)又是(shi)(shi)星(xing)(xing)系(xi)中恒星(xing)(xing)形(xing)成的(de)(de)(de)原(yuan)料。“原(yuan)料少了(le)，制造恒星(xing)(xing)的(de)(de)(de)能力(li)自(zi)然(ran)而(er)然(ran)就(jiu)失(shi)去了(le)。”王濤解釋(shi)說。該(gai)項發現意味(wei)著(zhu)，通過中心黑洞在其成長(chang)過程中釋(shi)放的(de)(de)(de)能量來調節星(xing)(xing)系(xi)周氣(qi)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)冷(leng)卻效率，很可能是(shi)(shi)中心黑洞影響宿主(zhu)星(xing)(xing)系(xi)形(xing)成演化的(de)(de)(de)主(zhu)要(yao)方式(shi)。

　　這(zhe)個(ge)結論看似簡單，卻(que)(que)是(shi)(shi)(shi)幾代科(ke)(ke)學(xue)家半個(ge)世紀“接(jie)力(li)”的(de)(de)(de)結果。王濤表示，受制于(yu)傳(chuan)統思維，此前科(ke)(ke)學(xue)家們(men)主要聚焦黑洞(dong)(dong)(dong)最活躍的(de)(de)(de)階段進行研究，卻(que)(que)始終(zhong)沒有發現(xian)明確(que)證(zheng)據。因此，團隊轉變思路(lu)，從黑洞(dong)(dong)(dong)質(zhi)量(liang)角度重新(xin)(xin)出發探索(suo)答案，終(zhong)于(yu)捕捉(zhuo)到(dao)黑洞(dong)(dong)(dong)與冷(leng)(leng)氣(qi)體(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)(de)(de)深層關聯。“我們(men)的(de)(de)(de)創(chuang)新(xin)(xin)點在于(yu)，一是(shi)(shi)(shi)考慮到(dao)星(xing)(xing)系漫長(chang)(chang)的(de)(de)(de)演(yan)化(hua)時標(biao)，我們(men)相應地去探索(suo)中心(xin)黑洞(dong)(dong)(dong)在長(chang)(chang)時標(biao)上的(de)(de)(de)活動(dong)性表征——黑洞(dong)(dong)(dong)質(zhi)量(liang)與星(xing)(xing)系冷(leng)(leng)氣(qi)體(ti)(ti)(ti)(ti)和恒星(xing)(xing)形成的(de)(de)(de)關系;二是(shi)(shi)(shi)我們(men)考慮到(dao)黑洞(dong)(dong)(dong)對冷(leng)(leng)氣(qi)體(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)(de)(de)影響可(ke)能更多地體(ti)(ti)(ti)(ti)現(xian)為氣(qi)體(ti)(ti)(ti)(ti)冷(leng)(leng)卻(que)(que)的(de)(de)(de)直接(jie)產物——原子氫氣(qi)體(ti)(ti)(ti)(ti)，而不是(shi)(shi)(shi)形成機制更為復雜(za)的(de)(de)(de)分(fen)子氣(qi)體(ti)(ti)(ti)(ti)。因此朝著黑洞(dong)(dong)(dong)質(zhi)量(liang)與原子氣(qi)體(ti)(ti)(ti)(ti)之間的(de)(de)(de)關系努力(li)，結果證(zheng)明這(zhe)個(ge)方向是(shi)(shi)(shi)正確(que)的(de)(de)(de)。”

　　該項研究揭(jie)示(shi)了(le)中心黑(hei)洞(dong)(dong)主要通過限制冷(leng)氣體這一(yi)恒星(xing)(xing)形成的(de)原料來調控星(xing)(xing)系(xi)演化(hua)，解(jie)釋了(le)寧(ning)靜星(xing)(xing)系(xi)普(pu)遍含(han)有一(yi)個較大(da)質量的(de)中心黑(hei)洞(dong)(dong)的(de)原因，向(xiang)著最終揭(jie)開星(xing)(xing)系(xi)生死之謎邁出(chu)關鍵一(yi)步。“現在(zai)我(wo)們相當于找到(dao)了(le)黑(hei)洞(dong)(dong)影響星(xing)(xing)系(xi)形成演化(hua)的(de)觀測證據(ju)，打開了(le)一(yi)個窗口，解(jie)決(jue)了(le)是(shi)(shi)不是(shi)(shi)黑(hei)洞(dong)(dong)在(zai)起作(zuo)用的(de)問題。”王(wang)濤表示(shi)，未來，團隊還將進一(yi)步探尋其背后的(de)物理機制，探索黑(hei)洞(dong)(dong)如何(he)起作(zuo)用，“這不僅(jin)能向(xiang)我(wo)們揭(jie)示(shi)銀河系(xi)這樣的(de)星(xing)(xing)系(xi)是(shi)(shi)怎么(me)來的(de)、如何(he)死亡，也能為我(wo)們理解(jie)星(xing)(xing)系(xi)里的(de)恒星(xing)(xing)、行(xing)星(xing)(xing)乃至生命的(de)誕生提供新思(si)路。”