物理所“首例二維金屬制備”成果入選《物理世界》“2025年十大突破”

英國物理學會主辦的《物理世界》（Physics World）12 月 12 日正式公布 “2025年度十大科學突破”榜單，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心張廣宇團隊主導的 “首例二維金屬制備” 成果成功入選。這是該榜單自 2009 年設立以來，我國主導研究第 7 次獲此殊榮，也是本年度唯一入選的中國成果，與小行星生命起源線索、分子超流現象等國際重大突破共同躋身前列。實際上這是中國科學院物理研究所第二次有成果入選，上一次入選的成果是2015年的外爾費米子。

自 2004 年石墨烯被發現并開啟二維新紀元以來，全球科學家已制備出數百種二維材料，理論預測更是接近 2000 種，但這些材料均局限于層狀體系 ——類似 “千層餅” 的結構通過弱范德華力結合，可通過機械剝離等方式獲得單層。而占元素周期表約 80%的金屬，因具有非層狀結構、強金屬鍵及高對稱性，如同 “壓縮餅干” 般難以拆分，原子級薄的二維金屬長期被學界認為是 “不可能完成的任務”，成為二維材料領域長期存在的重大空白。

為攻克這一難題，張廣宇團隊歷時多年攻關，獨創 “原子制造的范德華擠壓技術”，利用團隊自主研發的原子級平整單層二硫化鉬作為 “范德華壓砧”，實現了埃米級極限厚度下二維金屬的普適制備，成功獲得鉍（6.3?）、錫（5.8?）、鉛（7.5?）、銦（8.4?）和鎵（9.2?）五種二維金屬。這些材料的厚度僅為頭發絲直徑的二十萬分之一、A4 紙厚度的百萬分之一。

單層鉍的原子結構

這項技術突破帶來了多重核心優勢：制備的二維金屬具有超 1 年無性能退化的環境穩定性，且擁有非成鍵界面，為探索材料本征特性奠定基礎；電學測試顯示，單層鉍的室溫電導率達 9.0×106S/m，較塊體鉍提升一個數量級以上，還展現出獨特的 P 型電場效應，電阻可通過柵壓調控 35%（超塊體金屬< 1%）；技術更能以原子精度控制二維金屬厚度（單層、雙層或三層），為研究新奇層贗自旋特性提供了全新平臺。

與層數相關的特性

“這一突破不僅填補了二維材料家族的關鍵拼圖，更開辟了全新研究領域?！?論文共同通訊作者杜羅軍特聘研究員指出，二維金屬有望衍生出量子霍爾效應、二維超導等宏觀量子現象，為低功耗晶體管、高頻器件、超靈敏探測等技術革新提供核心材料。元素周期表有 88 種金屬元素，目前實現的5種僅僅只是“冰山一角”，加上二元及多元合金，未來尚有上萬種二維金屬材料待探索，為該領域留下廣闊空間。該成果自 3 月在《自然》發表以來，迅速引發全球學界與媒體高度關注。

單層鉍的電學特性

《物理世界》“年度十大突破” 以學術權威性著稱，入選成果需滿足 “科學意義重大、推動知識邊界、理論與實驗緊密結合、引發全球物理學家廣泛關注” 四大核心標準。

以下是本年度十大突破（排名不分先后）：

小行星樣本揭示生命起源線索

一個國際研究團隊在近地小行星“貝努”的返回樣本中，發現了鹽、氨、糖、富氮/氧有機物以及超新星塵埃痕跡。這些由美國國家航空航天局（NASA）的OSIRIS-REx探測器于2020年采集的樣本，其復雜的化學成分支持了小行星撞擊可能為早期地球帶來生命形成所需原材料的假說。該研究不僅深化了我們對生命起源的理解，也揭示了太陽系天體的形成機制。

圖片來源：物理學家組織網

首次觀測到分子超流現象

包括加拿大不列顛哥倫比亞大學在內的聯合團隊首次在分子氫中觀測到超流性。團隊克服了氫在超流溫度下會凝固的難題，通過將氫分子簇束縛在氦液滴中并嵌入甲烷分子作為探針，歷時近20年，成功探測到超流轉變。這一突破為探索量子與經典行為的邊界開辟了新途徑。

空心光纖突破通信傳輸極限

由英國南安普敦大學和微軟AzureFiber組成的團隊開發出新型空心光纖，其核心以空氣替代傳統玻璃，利用玻璃膜反射光波。測試表明，該光纖信號衰減比標準光纖減少35%，傳輸速度提升45%，有望減少長距離通信中放大器的需求，為更快速、環保的網絡基礎設施奠定基礎。

質子弧療法首用于臨床治療

意大利特倫托質子治療中心的團隊率先完成質子弧療法（PAT）的臨床應用。該技術通過弧形路徑多角度輸送質子束，優化了腫瘤靶向劑量分布。在與傳統掃描方案進行對比驗證后，團隊成功對九名癌癥患者實施了PAT治療，標志著質子治療技術進入新階段。

首例二維金屬材料制備成功

中國科學院團隊突破傳統認知，首次制備出單原子層超薄金屬，其厚度僅為頭發絲直徑的二十萬分之一。團隊通過將金屬熔化并利用單層二硫化鉬作為范德華壓砧擠壓，成功實現原子極限厚度下各種二維金屬的普適制備。該成果被視為二維材料領域的重大進展，為研究二維金屬的獨特物理性質及相關應用打開大門。

圖片來源：中國科學院物理研究所

蛋白質量子比特實現活細胞磁傳感

美國芝加哥大學團隊利用熒光蛋白開發出可在活細胞內合成的量子比特。這種直徑3納米的蛋白質具備類似鉆石氮空位中心的光學與自旋特性，經基因改造后能在細菌中表達，并以8%的自旋對比度實現磁場傳感，為細胞內原位磁共振測量提供了全新工具。

反質子自旋的量子精密測量

歐洲核子研究中心的BASE合作組首次實現對單個反質子的相干自旋操控。團隊通過將反質子冷卻并囚禁于電磁阱中，利用微波脈沖操控其自旋態，將測量精度較此前提升16倍。這一突破為檢驗物質-反物質對稱性提供了前所未有的精度，可能揭示標準模型之外的新物理。

智能手機網絡構建地震預警系統

美國加州大學伯克利分校與谷歌合作，利用全球安卓手機內置加速度計構建地震警報網絡。2021—2024年測試期間，系統平均每月檢測312次地震（震級1.9—7.8），并向受影響用戶發送警報。該低成本方案有望彌補傳統地震監測網絡的覆蓋空白，并助力災后應急響應。

系外氣態巨行星首張天氣圖繪成

德國哥廷根大學團隊通過光譜分析系外行星WASP-127b的大氣，繪制出首張系外行星天氣圖。研究發現該行星存在時速達3.3萬公里的超音速風，極地與赤道溫差超1000°C，大氣中水蒸氣的檢測暗示可能存在特殊降雨過程，為系外行星氣候研究樹立新標桿。

圖片來源：歐洲南方天文臺

單原子分辨率顯微成像突破

包括美國馬里蘭大學在內的團隊借助電子顯微鏡技術，以15皮米分辨率捕獲二維材料二硒化鎢中單個原子的清晰圖像，分辨率達原子尺寸的十分之一。該技術首次直接觀測到莫爾晶格中的集體振動（莫爾聲子），為理解材料微觀相互作用及設計新型量子材料提供關鍵手段。

部分來源：科技日報

編輯：測不準的小陽