江蘇省三項基礎(chǔ)研究成果入選二〇二四年度“中國科學(xué)十大進(jìn)展”——

探秘“最前沿”
勇攀“新高峰”

　　“凝聚態(tài)物質(zhì)中引力子模的實(shí)驗發(fā)現(xiàn)”“高能量轉(zhuǎn)化效率錒系輻射光伏微核電池的創(chuàng)制”“發(fā)現(xiàn)超大質(zhì)量黑洞影響宿主星系形成演化的重要證據(jù)”……近日，2024年度“中國科學(xué)十大進(jìn)展”正式揭曉，我省3項基礎(chǔ)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(shù)的革新突破，再到宇宙天體的演化奧秘，科研團(tuán)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(fā)展的戰(zhàn)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。

　　1、新發(fā)現(xiàn)：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(yù)言的神奇現(xiàn)象，宇宙中的巨型天體碰撞時會產(chǎn)生振蕩，形成引力波。這也引發(fā)物理科學(xué)家思考引力波的本質(zhì)：在小尺度，例如低維量子空間里，可否激發(fā)類似引力波的量子化現(xiàn)象?南京大學(xué)物理學(xué)院教授杜靈杰的團(tuán)隊在這個問題上取得了重大進(jìn)展。

　　廣義相對論和量子力學(xué)的統(tǒng)一，是物理學(xué)界公認(rèn)的“終極問題”。引力子作為引力波所對應(yīng)的自旋2的假想粒子，被視為連接兩大理論的關(guān)鍵，但其探測難度堪稱“宇宙級”。杜靈杰說：“著名英國物理學(xué)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(yù)估需要建造像太陽系一樣大的對撞機(jī)，這些是遠(yuǎn)超人類現(xiàn)有科技水平的?！?/p>

　　理論推測，分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中或涌現(xiàn)出類引力子，這種凝聚態(tài)準(zhǔn)粒子是自旋2的低能模式激發(fā)(稱為引力子?；蛞ψ蛹ぐl(fā))，但一直未能觀測到。杜靈杰團(tuán)隊正是在分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中首次觀察到引力子模的。2024年，團(tuán)隊利用自主研發(fā)搭建的“極低溫強(qiáng)磁場共振非彈性偏振光散射系統(tǒng)”，在砷化鎵半導(dǎo)體量子阱中觀察到了分?jǐn)?shù)量子霍爾引力子，并從自旋、動能、能量3個角度確認(rèn)了相關(guān)實(shí)驗數(shù)據(jù)。

　　談及實(shí)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(qiáng)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(shí)驗測量，都困難重重，但最終我們成功解決了這些問題?！睋?jù)了解，這是自20世紀(jì)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(zhǔn)粒子，對量子領(lǐng)域的研究意義重大。除了入選2024年度“中國科學(xué)十大進(jìn)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(jìn)展新聞”。

　　無論是從實(shí)驗技術(shù)角度還是從基礎(chǔ)物理創(chuàng)新角度，杜靈杰團(tuán)隊都完成了“從0到1”的突破。實(shí)驗結(jié)果證實(shí)了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)新的幾何描述，有望推動半導(dǎo)體電子系統(tǒng)微觀結(jié)構(gòu)探測及拓?fù)淞孔佑嬎惆l(fā)展?！霸撗芯繛槲覀兲峁┝颂剿鹘鉀Q量子引力問題的新思路，未來人們可以在‘人造實(shí)驗室’探索宇宙尺度物理。”中國科學(xué)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(xué)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(fā)起的‘攀登’項目。省物理科學(xué)研究中心在我們項目經(jīng)費(fèi)緊缺的時候也提供了關(guān)鍵性的幫助，讓我們有信心把‘冷板凳’坐熱，在基礎(chǔ)研究這條路上繼續(xù)走下去?！?/p>

　　2、新思路：推動放射性廢物的資源化利用

　　核能快速發(fā)展，伴隨而來的是大量核廢料。其中，半衰期長達(dá)數(shù)千年到百萬年的錒系核素長期被視為環(huán)境負(fù)擔(dān)。錒系核素的放射性(核衰變)本質(zhì)上是一種源源不斷的能量，如果能轉(zhuǎn)化，將有效促進(jìn)錒系核素資源化利用。一個可行的方案是將其核衰變轉(zhuǎn)電，然而，錒系核素的阿爾法衰變在傳統(tǒng)微型核電池結(jié)構(gòu)中存在強(qiáng)烈的自吸收效應(yīng)，使得開發(fā)高效錒系放射性同位素微核電池極具挑戰(zhàn)。

　　蘇州大學(xué)放射醫(yī)學(xué)與輻射防護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室教授王殳凹、王亞星團(tuán)隊聯(lián)合多個科研機(jī)構(gòu)，提出了基于“聚結(jié)型能量轉(zhuǎn)換器”的錒系微型核電池結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，在分子級別上將放射性核素與能量轉(zhuǎn)換單元緊密耦合，從根本上克服了自吸收效應(yīng)，使衰變能轉(zhuǎn)化效率提升了8000倍，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)化效率質(zhì)的飛躍。

　　“傳統(tǒng)的錒系放射性同位素電池，能量轉(zhuǎn)化效率只有1‰不到，而我們的電池結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠?qū)⑵涮嵘?%，理想化狀態(tài)可能提升至10%?！蓖蹯急硎荆撗芯拷Y(jié)合光伏電池技術(shù)，將輻射自發(fā)光轉(zhuǎn)化為電能輸出，開發(fā)出新型錒系輻射光伏核電池，達(dá)到了此類電池最高的能量轉(zhuǎn)換效率。實(shí)驗中，團(tuán)隊研制的微型核電池在連續(xù)運(yùn)行200小時的測試中展現(xiàn)出優(yōu)異的性能穩(wěn)定性。

　　據(jù)了解，該項進(jìn)展是近幾十年來核電池領(lǐng)域的重要突破之一，通過創(chuàng)新設(shè)計，將核廢料中錒系核素衰變釋放的能量轉(zhuǎn)化為持久電能，實(shí)現(xiàn)變廢為寶。在全球能源需求不斷增長的背景下，其潛在應(yīng)用場景也非常廣泛?！澳芰哭D(zhuǎn)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?！蓖蹯冀榻B說，未來微型核電池有望在微型傳感器、醫(yī)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(chǔ)性的方案?！敝袊茖W(xué)院院士、核物理學(xué)家、復(fù)旦大學(xué)副校長馬余剛解讀說。這一錒系輻射光伏核電池設(shè)計思路，在錒系元素化學(xué)與能量轉(zhuǎn)換器件之間架起橋梁，兼具基礎(chǔ)研究深度和潛在應(yīng)用前景，為高效微型核電池開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)，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(tuán)隊中既有“80后”主力，也有經(jīng)驗豐富的合作者?！疤K大團(tuán)隊承擔(dān)了絕大部分工作，湘潭大學(xué)歐陽曉平院士也在輻射探測材料、輻射能轉(zhuǎn)化等理論方面給予我們關(guān)鍵指導(dǎo)。核能放射化學(xué)研究既面向世界科技前沿，又能服務(wù)國家重大需求。國內(nèi)每年有很多基礎(chǔ)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。

　　3、新探索：揭開星系生死之謎的關(guān)鍵一步

　　“黑洞之于星系就像腫瘤之于人體，它還小的時候?qū)λ拗饔绊懖淮?，一旦長得過快過大，就會嚴(yán)重扼殺星系制造新的恒星的能力?！蹦暇┐髮W(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授王濤用這樣一個生動的比喻，向記者揭示了團(tuán)隊研究成果的核心邏輯。

圖為南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院王濤教授(左二)帶領(lǐng)團(tuán)隊成員開展研究

　　星系是構(gòu)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(jī)制，一直是星系宇宙學(xué)的核心任務(wù)之一。20世紀(jì)70年代，有科學(xué)家提出，星系中心的超大質(zhì)量黑洞在吸積物質(zhì)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(xué)問題，王濤教授團(tuán)隊歷時3年多，創(chuàng)新性地從探索近鄰星系的黑洞質(zhì)量與星系中原子氫氣體的含量之間的關(guān)系入手，首次揭示了星系中心黑洞的質(zhì)量是調(diào)制星系中原子氫氣體含量最關(guān)鍵的物理量：中心黑洞質(zhì)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?！蓖鯘忉屨f。該項發(fā)現(xiàn)意味著，通過中心黑洞在其成長過程中釋放的能量來調(diào)節(jié)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(jié)論看似簡單，卻是幾代科學(xué)家半個世紀(jì)“接力”的結(jié)果。王濤表示，受制于傳統(tǒng)思維，此前科學(xué)家們主要聚焦黑洞最活躍的階段進(jìn)行研究，卻始終沒有發(fā)現(xiàn)明確證據(jù)。因此，團(tuán)隊轉(zhuǎn)變思路，從黑洞質(zhì)量角度重新出發(fā)探索答案，終于捕捉到黑洞與冷氣體的深層關(guān)聯(lián)?！拔覀兊膭?chuàng)新點(diǎn)在于，一是考慮到星系漫長的演化時標(biāo)，我們相應(yīng)地去探索中心黑洞在長時標(biāo)上的活動性表征——黑洞質(zhì)量與星系冷氣體和恒星形成的關(guān)系;二是我們考慮到黑洞對冷氣體的影響可能更多地體現(xiàn)為氣體冷卻的直接產(chǎn)物——原子氫氣體，而不是形成機(jī)制更為復(fù)雜的分子氣體。因此朝著黑洞質(zhì)量與原子氣體之間的關(guān)系努力，結(jié)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(diào)控星系演化，解釋了寧靜星系普遍含有一個較大質(zhì)量的中心黑洞的原因，向著最終揭開星系生死之謎邁出關(guān)鍵一步?！艾F(xiàn)在我們相當(dāng)于找到了黑洞影響星系形成演化的觀測證據(jù)，打開了一個窗口，解決了是不是黑洞在起作用的問題?！蓖鯘硎?，未來，團(tuán)隊還將進(jìn)一步探尋其背后的物理機(jī)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。”