我省三項基礎研究成果入選二〇二四年度“中國科學十大進展”——

探秘“最前沿”

勇攀“新高峰”

“凝聚態物質中引力子模的實驗發現”“高能量轉化效率錒系輻射光伏微核電池的創制”“發現超大質量黑洞影響宿主星系形成演化的重要證據”……近日，2024年度“中國科學十大進展”正式揭曉，我省3項基礎研究成果入選，取得歷史性突破。這些開拓性成果均來自高校，從量子物理的微觀世界到核能技術的革新突破，再到宇宙天體的演化奧秘，科研團隊以“頂天立地”的探索精神，生動詮釋了我省教育、科技、人才一體化發展的戰略成效。日前，記者采訪了3項科研成果的主要完成人，聆聽他們講述“從0到1”的攀登之路。

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新發現：在量子空間捕捉“引力子”蹤跡

引力波是愛因斯坦廣義相對論預言的神奇現象，宇宙中的巨型天體碰撞時會產生振蕩，形成引力波。這也引發物理科學家思考引力波的本質：在小尺度，例如低維量子空間里，可否激發類似引力波的量子化現象？南京大學物理學院教授杜靈杰的團隊在這個問題上取得了重大進展。

廣義相對論和量子力學的統一，是物理學界公認的“終極問題”。引力子作為引力波所對應的自旋2的假想粒子，被視為連接兩大理論的關鍵，但其探測難度堪稱“宇宙級”。杜靈杰說：“著名英國物理學家戴森做過一個估計：如果把整個地球作為探測器，在最理想的情況下，我們需要10億年才能探測到1個來自太陽的引力子。還有人預估需要建造像太陽系一樣大的對撞機，這些是遠超人類現有科技水平的。”

理論推測，分數量子霍爾效應中或涌現出類引力子，這種凝聚態準粒子是自旋2的低能模式激發（稱為引力子模或引力子激發），但一直未能觀測到。杜靈杰團隊正是在分數量子霍爾效應中首次觀察到引力子模的。2024年，團隊利用自主研發搭建的“極低溫強磁場共振非彈性偏振光散射系統”，在砷化鎵半導體量子阱中觀察到了分數量子霍爾引力子，并從自旋、動能、能量3個角度確認了相關實驗數據。

談及實驗條件，杜靈杰連用3個“特別”：特別低的溫度，接近絕對零度；特別強的磁場，是地球平均磁場的10萬倍；特別低的能量，大約只有十幾赫茲。“無論是儀器搭建，還是實驗測量，都困難重重，但最終我們成功解決了這些問題。”據了解，這是自20世紀30年代引力子概念提出以來，人類歷史上首次觀測到有引力子特征的準粒子，對量子領域的研究意義重大。除了入選2024年度“中國科學十大進展”外，這一重大成果也同時入選“兩院院士評選2024年中國十大科技進展新聞”。

無論是從實驗技術角度還是從基礎物理創新角度，杜靈杰團隊都完成了“從0到1”的突破。實驗結果證實了分數量子霍爾效應新的幾何描述，有望推動半導體電子系統微觀結構探測及拓撲量子計算發展。“該研究為我們提供了探索解決量子引力問題的新思路，未來人們可以在‘人造實驗室’探索宇宙尺度物理。”中國科學院物理研究所副所長胡江平解讀道。

作為一名“80后”科研工作者，杜靈杰坦言，之所以能夠堅持5年耕耘不輟，離不開學校和科技部門的政策支撐。“在這個過程中，省里給了很多支持，比如科技部門發起的‘攀登’項目。省物理科學研究中心在我們項目經費緊缺的時候也提供了關鍵性的幫助，讓我們有信心把‘冷板凳’坐熱，在基礎研究這條路上繼續走下去。”

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新思路：推動放射性廢物的資源化利用

核能快速發展，伴隨而來的是大量核廢料。其中，半衰期長達數千年到百萬年的錒系核素長期被視為環境負擔。錒系核素的放射性（核衰變）本質上是一種源源不斷的能量，如果能轉化，將有效促進錒系核素資源化利用。一個可行的方案是將其核衰變轉電，然而，錒系核素的阿爾法衰變在傳統微型核電池結構中存在強烈的自吸收效應，使得開發高效錒系放射性同位素微核電池極具挑戰。

蘇州大學放射醫學與輻射防護國家重點實驗室教授王殳凹、王亞星團隊聯合多個科研機構，提出了基于“聚結型能量轉換器”的錒系微型核電池結構設計理念，在分子級別上將放射性核素與能量轉換單元緊密耦合，從根本上克服了自吸收效應，使衰變能轉化效率提升了8000倍，實現了轉化效率質的飛躍。

“傳統的錒系放射性同位素電池，能量轉化效率只有1‰不到，而我們的電池結構設計能夠將其提升到1%，理想化狀態可能提升至10%。”王殳凹表示，該研究結合光伏電池技術，將輻射自發光轉化為電能輸出，開發出新型錒系輻射光伏核電池，達到了此類電池最高的能量轉換效率。實驗中，團隊研制的微型核電池在連續運行200小時的測試中展現出優異的性能穩定性。

據了解，該項進展是近幾十年來核電池領域的重要突破之一，通過創新設計，將核廢料中錒系核素衰變釋放的能量轉化為持久電能，實現變廢為寶。在全球能源需求不斷增長的背景下，其潛在應用場景也非常廣泛。“能量轉化效率提升后，放射性核素用量減少，成本降低，安全性卻更高。”王殳凹介紹說，未來微型核電池有望在微型傳感器、醫療植入器械以及不易換電的場合提供更為持久的電力支持。

“這是一個非常新穎且基礎性的方案。”中國科學院院士、核物理學家、復旦大學副校長馬余剛解讀說。這一錒系輻射光伏核電池設計思路，在錒系元素化學與能量轉換器件之間架起橋梁，兼具基礎研究深度和潛在應用前景，為高效微型核電池開發提供了理論基礎，也為放射性廢物的資源化利用提供了新的思路。

王殳凹表示，他們的研究團隊中既有“80后”主力，也有經驗豐富的合作者。“蘇大團隊承擔了絕大部分工作，湘潭大學歐陽曉平院士也在輻射探測材料、輻射能轉化等理論方面給予我們關鍵指導。核能放射化學研究既面向世界科技前沿，又能服務國家重大需求。國內每年有很多基礎研究的重大成果，我們的成果能夠入選，我感到非常榮幸。”王殳凹說。

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新探索：揭開星系生死之謎的關鍵一步

“黑洞之于星系就像腫瘤之于人體，它還小的時候對宿主影響不大，一旦長得過快過大，就會嚴重扼殺星系制造新的恒星的能力。”南京大學天文與空間科學學院教授王濤用這樣一個生動的比喻，向記者揭示了團隊研究成果的核心邏輯。

圖為南京大學天文與空間科學學院王濤教授（左二）帶領團隊成員開展研究

星系是構成宇宙的基本單位，探索其從“生”（恒星形成星系）到“死”（寧靜星系）的演化機制，一直是星系宇宙學的核心任務之一。20世紀70年代，有科學家提出，星系中心的超大質量黑洞在吸積物質過程中釋放的巨大能量對星系的形成演化具有重要作用。然而，黑洞是否影響以及如何影響星系的形成演化，卻一直缺乏明確的觀測支持。

針對這一重要科學問題，王濤教授團隊歷時3年多，創新性地從探索近鄰星系的黑洞質量與星系中原子氫氣體的含量之間的關系入手，首次揭示了星系中心黑洞的質量是調制星系中原子氫氣體含量最關鍵的物理量：中心黑洞質量越高的星系，其原子氫氣體含量越低。

原子氫氣體是星系冷氣體的主要組成部分，而冷氣體又是星系中恒星形成的原料。“原料少了，制造恒星的能力自然而然就失去了。”王濤解釋說。該項發現意味著，通過中心黑洞在其成長過程中釋放的能量來調節星系周氣體的冷卻效率，很可能是中心黑洞影響宿主星系形成演化的主要方式。

這個結論看似簡單，卻是幾代科學家半個世紀“接力”的結果。王濤表示，受制于傳統思維，此前科學家們主要聚焦黑洞最活躍的階段進行研究，卻始終沒有發現明確證據。因此，團隊轉變思路，從黑洞質量角度重新出發探索答案，終于捕捉到黑洞與冷氣體的深層關聯。“我們的創新點在于，一是考慮到星系漫長的演化時標，我們相應地去探索中心黑洞在長時標上的活動性表征——黑洞質量與星系冷氣體和恒星形成的關系；二是我們考慮到黑洞對冷氣體的影響可能更多地體現為氣體冷卻的直接產物——原子氫氣體，而不是形成機制更為復雜的分子氣體。因此朝著黑洞質量與原子氣體之間的關系努力，結果證明這個方向是正確的。”

該項研究揭示了中心黑洞主要通過限制冷氣體這一恒星形成的原料來調控星系演化，解釋了寧靜星系普遍含有一個較大質量的中心黑洞的原因，向著最終揭開星系生死之謎邁出關鍵一步。“現在我們相當于找到了黑洞影響星系形成演化的觀測證據，打開了一個窗口，解決了是不是黑洞在起作用的問題。”王濤表示，未來，團隊還將進一步探尋其背后的物理機制，探索黑洞如何起作用，“這不僅能向我們揭示銀河系這樣的星系是怎么來的、如何死亡，也能為我們理解星系里的恒星、行星乃至生命的誕生提供新思路。”

來源：江蘇教育報

編輯：王筱

審核：范文 許南欣