۱۰ دستاورد برتر سال ۲۰۲۵ در فیزیک افشا شد
فیزیکورلد خوشحال است که فهرست ۱۰ دستاورد برتر سال ۲۰۲۵ خود را اعلام میکند؛ این فهرست شامل تحقیقات در زمینهٔ نجوم، آنتیماده، فیزیک اتمی و مولکولی و موارد دیگر است. این ۱۰ مورد فهرست کوتاهی برای «دستبرد سال فیزیکورلد» است که در روز پنجشنبه، ۱۸ دسامبر، اعلام میشود.
تیم تحریریهٔ ما تمام کشفیات علمی که از اول ژانویه گزارش شدهاند را مرور کرد و ۱۰ موردی را که مهمترین میدانیم، انتخاب کرد. علاوه بر اینکه این پیشرفتها در فیزیکورلد در سال ۲۰۲۵ گزارش شدهاند، باید معیارهای زیر را نیز برآورده کنند:
- پیشرفت قابلتوجه در دانش یا درک
- اهمیت کار برای پیشرفت علمی و/یا توسعهٔ کاربردهای واقعی
- دارای جذابیت عمومی برای خوانندگان فیزیکورلد
در اینجا، ۱۰ دستاورد برتر فیزیکورلد برای سال ۲۰۲۵ عرضه میشوند؛ فهرست به ترتیب خاصی نیست. میتوانید به فیزیکورلد سردبیران گوش کنید که دلایل انتخاب هر یک از نامزدهای ما را در پادکست هفتگی فیزیکورلد توضیح میدهند. و هفتهٔ آینده بازگردید تا ببینید چه کسی برندهٔ دستبرد سال ۲۰۲۵ شده است.
یافتن مواد حیاتزا در یک شهابسنگ
به تیم مککوی، سارا راسل، دنی گلاوین، جیسن دروکوین، یوشیهیرو فوروکاوا، آن نیوین، اسکات سندفورد، زاک گینسفورث و یک تیم بینالمللی از همکاران بهخاطر شناسایی نمک، آمونیاک، قند، مواد آلی غنی از نیتروژن و اکسیژن، و ردپای گرد و غبار فلزی غنی از ابرنواخوری در نمونههای بازگردانی شده از شهابسنگ نزدیک بهزمین ۱۰۱۹۵۵ بنو، تقدیر میشود. غنای شیمیایی شگفتانگیز این شهابسنگ که فضاپیمای OSIRIS‑REx ناسا در سال ۲۰۲۰ بازدید کرد، از فرضیهٔ دیرینهای حمایت میکند که برخوردهای شهابسنگی میتوانستند زمین اولیه را با ترکیبات اولیهٔ لازم برای شکلگیری حیات «بذرگذاری» کنند. این کشفیات همچنین درک ما را از چگونگی شکلگیری بنو و سایر اجسام منظومهشمسی از دیسک مادهای که در اطراف خورشید جوان تدریجاً شکل گرفت، ارتقا میبخشد.
اولین مولکول سوپرفلوئید
به تاکاماسا موموزه از دانشگاه بریتیش کلمبیای کانادا و سوسومو کوما از آزمایشگاه فیزیک اتمی، مولکولی و نوری ریکن، ژاپن، برای مشاهده سوپرفلوئیدیت در یک مولکول برای اولین بار. هیدروژن مولکولی سادهترین و سبکترین تمامی مولکولهاست و نظریهپردازان پیشبینی کردند که در دمایی بین ۱ تا ۲ کلوین به حالت سوپرفلوئید میرسد. اما این دما بسیار زیر نقطه ذوب این مولکول (۱۳٫۸ ک) است، بنابراین موموزه، کوما و همکاران ابتدا باید روشی برای نگهداشتن هیدروژن در حالت مایع پیدا میکردند. پس از این کار، باید نحوه تشخیص آغاز سوپرفلوئیدیت را کشف میکردند. این کار تقریباً ۲۰ سال طول کشید، اما با مهار خوشههای مولکولی هیدروژن داخل قطرههای نانو هلیوم، تعبیه یک مولکول متان در این خوشهها و بررسی چرخش متان، نهایتاً موفق شدند. اکنون قصد دارند خوشههای بزرگتری از هیدروژن را مطالعه کنند تا مرز بین رفتار کلاسیک و کوانتومی در این سامانه را بررسی نمایند.
فیبرهای هستهتوخالی، محدودیت ۴۰‑سالهٔ انتقال نور را میشکنند
به پژوهشگرانی از دانشگاه ساؤثمپتون و Microsoft Azure Fibre در بریتانیا، برای توسعهٔ نوعی جدید از فیبر نوری که تلفات سیگنال را کاهش میدهد، پهنای باند را افزایش میدهد و ارتباطات سریعتر و سبزتر را وعده میدهد. تیم به رهبری فرانچسکو پولتی، این دستاورد را با جایگزینی هستهٔ شیشهای فیبر معمولی با هوا و استفاده از غشاهای شیشهای که نور را در فرکانسهای خاص به هسته بازتاب میدهند، بهمنظور به‑دامنبردن نور و ادامهٔ انتقال آن در مرکز توخالی فیبر، بهدست آورد. نتایج نشان میدهد که فیبرهای هسته توخالی نسبت به فیبرهای شیشهای استاندارد ۳۵ ٪ تضعیف کمتری دارند — به این معنی که در کابلهای طولانی بهکمترین تقویتکننده نیاز است — و سرعت انتقال را ۴۵ ٪ افزایش میدهند. مایکروسافت تست این فیبرهای جدید را در سامانههای واقعی آغاز کرده؛ قطعاتی را در شبکهاش نصب کرده و ترافیک زنده را از طریق آنها ارسال میکند. این آزمایشها راه را برای گسترش تدریجی باز میکنند و پولتی پیشبینی میکند که فیبرهای هسته توخالی میتوانند روزی کابلهای زیردریایی موجود را جایگزین کنند.
اولین درمانهای بالینی با پرتوتراشی آرک پروتون
به فرانچسکو فرکیولا و همکاران در مرکز پرتوتراشی پروتون ترنتو، ایتالیا، برای ارائهٔ اولین درمانهای بالینی با استفاده از پرتوتراشی آرک پروتون (PAT). پرتوتراشی پروتون – یک روش دقیق برای درمان سرطان – معمولاً با اسکن پرتو‑شکن (pencil‑beam) انجام میشود تا دوز را دقیقاً روی تومور رنگآمیزی کند. اما این روش به دلیل محدود بودن تعداد جهتهای قابل ارائه در زمان قابلپذیر درمان، محدود میشود. PAT با حرکت به مسیر آرکی که پروتونها را از طریق تعداد زیادی جهت پرتو ارائه میدهد، این محدودیت را برطرف میکند و امکان بهینهسازی تعداد انرژیهای استفادهشده برای هر جهت پرتو را میدهد. در همکاری با پژوهشگران RaySearch Laboratories در سوئد، تیم مقایسههای دوزمتریک موفقیتآمیزی با برنامههای درمانی پرتوتراشی پروتون بالینی انجام داد. پس از آزمون قابلیتپذیری که قابلیت ارائهٔ بالینی PAT را تأیید کرد، پژوهشگران از PAT برای درمان نه بیمار سرطانی استفاده کردند. مهم است که تمام درمانها با بهرهگیری از سیستم پرتوتراشی پروتون موجود در مرکز و جریان کاری بالینی انجام شد.
یک کیوبیت پروتئینی برای حسسنجی کوانتومی زیستی
به پیتر مائور و دیوید آوشالام از مدرسه پرتزکر مهندسی مولکولی دانشگاه شیکاگو و همکارانشان برای طراحی یک کیوبیت پروتئینی (qubit) که میتواند مستقیماً داخل سلولهای زنده تولید شود و بهعنوان حسگر میدان مغناطیسی استفاده شود. در حالیکه بسیاری از حسگرهای کوانتومی امروز بر پایهٔ مراکز نیتروژن‑خلاء (NV) در الماس ساخته شدهاند، آنها بزرگ هستند و قرارگیری درون سلولهای زنده دشوار است. در عوض، تیم از پروتئینهای فلورسانس استفاده کردند که تنها ۳ نانومتر قطر دارند و میتوانند توسط سلولها در مکان موردنظر با دقت اتمی تولید شوند. این پروتئینها ویژگیهای نوری و اسپینی مشابه کیوبیتهای مبتنی بر مراکز NV دارند — یعنی حالت سهگانهٔ متاستابل. پژوهشگران از پالس لیزر نزدیک به زیرقرمز برای آدرسگذاری نوری یک پروتئین فلورسانس زرد استفاده کردند و حالت اسپین سهگانهاش را با تا ۲۰ ٪ تضاد اسپین خواندند. سپس پروتئین را بهصورت ژنتیکی اصلاح کردند تا در سلولهای باکتریایی بیان شود و سیگنالها را با تضاد تا ۸ ٪ اندازهگیری کردند. آنها اشاره میکنند که اگرچه این عملکرد هنوز با حسگرهای NV همسطح نیست، اما میتواند امکان اندازهگیری رزونانس مغناطیسی مستقیماً درون سلولهای زنده را فراهم کند، که مراکز NV نمیتوانند انجام دهند.
اولین ورقهای دو‑بعدی فلز
به گوانگیو ژانگ، لوجون دو و همکاران در مؤسسه فیزیک آکادمی علوم چین برای تولید اولین ورقهای دو‑بعدی فلز. از زمان کشف گرافین — ورقی از کربن بهعرض یک اتم — در سال ۲۰۰۴، صدها مادهٔ دیگر دو‑بعدی ساخته و مورد مطالعه قرار گرفتهاند. در اکثر این مواد، لایههای اتمهای پیوند کووالانسی توسط فواصل خالی که لایههای مجاور فقط با تعاملات ضعیف وندروس (vdW) بههم متصل میشوند، جدا میشوند که از این رو جدا کردن لایهٔ تک یکجا نسبتاً آسان است. بسیاری بر این باور بودند که ساخت فلزات بهصورت لایهٔ اتمی غیرممکن است زیرا هر اتم فلز بهطور قوی در تمام جهتها به اتمهای اطراف خود متصل است. تکنیک توسعهیافته توسط ژانگ و دو شامل گرم کردن پودرهای فلز خالص بین دو «چکش» (anvil) تکلایهای MoS۲/یکسنگسفیر (sapphire) vdW میشود. پس از ذوب شدن پودرهای فلز به قطرهای، تیم با فشار ۲۰۰ MPa «فشردن vdW» را ادامه داد تا طرفهای مخالف چکشها به دمای محیط خنک شوند و ورقهای دو‑بعدی فلز شکل بگیرند. تیم پنج فلز دو‑بعدی با ضخامت اتمی – بیسموت، قلع، سرب، ایندیم و گالیم – تولید کرد که نازکترین آن حدود ۶٫۳ Å است. پژوهشگران میگویند کارشان فقط «نوک یخشکست» است و اکنون هدفشان مطالعهٔ فیزیک پایهای با این مواد جدید میباشد.
کنترل کوانتومی آنتیپروتونهای منفرد
به همکاری BASE سرن برای نخستین بار انجام طیفسنجی همساز اسپین بر روی یک آنتیپروتون — همتای مادهناپذیرفنی پروتون — تقدیر میشود. این پیشرفت مهمترین اندازهگیری دقیق تا بهحال از ویژگیهای مغناطیسی آنتیپروتون است و میتواند برای آزمون مدل استاندارد فیزیک ذرات به کار رود. آزمایش با تولید آنتیپروتونهای پرانرژی در یک شتابدهنده آغاز میشود. این ذرات باید به دماهای بسیار کم (یخچالی) خنک شوند بدون اینکه بهسبب انهدام ناپدید شوند. سپس یک آنتیپروتون منفرد در یک تله الکترومغناطیسی فوقسرد نگه داشته میشود، جایی که پالسهای میکروویو وضعیت اسپین آن را تغییر میدهند. قلهٔ رزونانس حاصل ۱۶ برابر باریکتر از اندازهگیریهای پیشین بود که جهشی چشمگیر در دقت ایجاد کرد. این سطح از کنترل کوانتومی دروازهای برای مقایسات بسیار حساس ویژگیهای ماده (پروتونها) و آنتیماده (آنتیپروتونها) میگشاید. تفاوتهای غیرمنتظره میتوانند به فیزیک جدیدی فراتر از مدل استاندارد اشاره داشته باشند و شاید دلیل حضور ماده بیش از آنتیماده در جهان قابل مشاهده را روشن کنند.
یک سامانه هشدار زودهنگام مبتنی بر تلفن هوشمند برای زلزلهها
به ریچارد آلن، مدیر آزمایشگاه لرزهنگاری برکلی در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، و مارک استوگیتیس و همکاران گوگل برای ایجاد یک شبکهٔ جهانی از گوشیهای اندروید که بهعنوان سامانه هشدار زودهنگام زلزله عمل میکند. سامانههای هشدار زودهنگام سنتی از شبکههای حسگرهای لرزهای استفاده میکنند که بهسرعت زلزلهها را در مناطق نزدیک به مرکز لرزه شناسایی میکنند و هشدارهایی در سراسر منطقهٔ متاثر صادر مینمایند. ساخت چنین شبکههای لرزهای هزینهبر است و بسیاری از مناطق مستعد زلزله اینگونه شبکهها را ندارند. پژوهشگران از شتابسنج موجود در میلیونها تلفن در ۹۸ کشور برای ایجاد سامانهٔ هشدار زلزلهٔ اندروید (AEA) استفاده کردند. آزمایش این برنامه بین سالهای ۲۰۲۱ تا ۲۰۲۴ منجر به شناسایی بهصورت متوسط ۳۱۲ زلزله در هر ماه شد که بزرگی آنها بین ۱٫۹ تا ۷٫۸ ریکتر بود. برای زلزلههای با بزرگی ۴٫۵ یا بالاتر، سامانه هشدارهای «TakeAction» (TakeAction) را به کاربران ارسال کرد که بهصورت متوسط ۶۰ بار در هر ماه، مجموعاً ۱۸ میلیون هشدار جداگانه در هر ماه ایجاد میکرد. سامانه همچنین هشدارهای «BeAware» (BeAware) کمتر شدیدی را به مناطقی که انتظار میرفت شدت لرزش ۳ یا ۴ ریکتر داشته باشند، ارسال کرد. تیم در حال حاضر قصد دارد نقشههای لرزش زمین را تولید کند که میتواند به خدمات اضطراری پس از زلزله کمک کند.
نقشهٔ «آبوهوایی» برای یک سیارهٔ غولگازی فراستارهای
به لیسا نورتمن در دانشگاه گوئیتینغن، آلمان، و همکاران برای ایجاد اولین «نقشهٔ آبوهوایی» دقیق برای یک سیارهٔ فراستارهای. پیشبینی برای سیارهٔ فراستارهای WASP‑127b بسیار سختگیرانه است؛ بادهایی تا ۳۳ ۰۰۰ km/h میرسند که بسیار سریعتر از هر باد موجود در منظومه شمسی است. WASP‑127b یک غولگازی است که حدود ۵۲۰ سال نوری از زمین فاصله دارد و تیم از ابزار CRIRES+ بر روی تلسکوپ بسیار بزرگ رصدخانهٔ جنوبیٔ اروپایی (ESO) برای مشاهدۀ این سیاره در حین عبور از جلوی ستارهاش در کمتر از ۷ ساعت استفاده کرد. تجزیه و تحلیل طیفی نور ستارهای که از طریق جو WASP‑127b عبور میکرد، تغییرات دوپلری ناشی از بادهای فوقصوتی استوا را نشان داد. با تحلیل دامنهٔ تغییرات دوپلری، تیم یک نقشهٔ آبوهوایی تقریبی برای WASP‑127b ایجاد کردند، اگرچه نتوانستند نور از مکانهای خاصی روی سیاره را تفکیک کنند. نورتمن و همکاران نتیجه گرفتند که قطبهای این سیاره نسبت به بقیهٔ WASP‑127b خنکتر هستند، در حالی که دماها میتوانند به بیش از ۱۰۰۰ °C برسند. بخار آب در جو تشخیص داده شد که امکان وجود انواع بارانهای عجیب را نشان میداد.
بهدستآمدهترین تصاویر با بالاترین وضوح از یک اتم منفرد
به تیم بهرهبری ییچائو ژانگ در دانشگاه مریلند و پینشین هوانگ از دانشگاه ایلینوی در اربانا‑چمپین برای بهدستآوردن بالاترین وضوح تصویر از اتمهای منفرد در یک ماده. تیم از تکنیک میکروسکوپی الکترونی به نام پتچوریا الکترونی استفاده کرد تا به وضوح ۱۵ پیکومتر دست یابد؛ که حدود ۱۰ بار کوچکتر از اندازهٔ یک اتم است. آنها یک پشته از دو لایهٔ نازک اتمی سلنیدید مولیبدن را مطالعه کردند که نسبت به یکدیگر چرخانده شدهاند تا سوپرلاتیس مویر (moire) ایجاد کنند. این مواد دو‑بعدی چرخیده برای فیزیکدانان بسیار جذاب است زیرا خواص الکترونی آنها میتواند با تغییرات کوچک در زاویهٔ چرخش بهصورت چشمگیری تغییر کند. وضوح فوقالعادهٔ میکروسکوپ آنها امکان مشاهده ارتعاشات جمعی در ماده را که «فیزون مویر» نامیده میشود، فراهم کرد. این پدیدهها شبیه به فونونها هستند، اما تا بهحال بهصورت مستقیم مشاهده نشده بودند. مشاهدات تیم با پیشبینیهای نظری برای فیزونهای مویر همراستا است. این تکنیک میکروسکوپی باید درک ما از نقش فیزونهای مویر و ارتعاشات دیگر شبکه در فیزیک جامدات را ارتقا دهد؛ که میتواند به مهندسی مواد جدید و مفید منجر شود.