我省三项基础研究成果入选二〇二四年度“中国科学十大进展”——

探秘“最前沿”

勇攀“新高峰”

“凝聚态物质中引力子模的实验发现”“高能量转化效率锕系辐射光伏微核电池的创制”“发现超大质量黑洞影响宿主星系形成演化的重要证据”……近日，2024年度“中国科学十大进展”正式揭晓，我省3项基础研究成果入选，取得历史性突破。这些开拓性成果均来自高校，从量子物理的微观世界到核能技术的革新突破，再到宇宙天体的演化奥秘，科研团队以“顶天立地”的探索精神，生动诠释了我省教育、科技、人才一体化发展的战略成效。日前，记者采访了3项科研成果的主要完成人，聆听他们讲述“从0到1”的攀登之路。

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新发现：在量子空间捕捉“引力子”踪迹

引力波是爱因斯坦广义相对论预言的神奇现象，宇宙中的巨型天体碰撞时会产生振荡，形成引力波。这也引发物理科学家思考引力波的本质：在小尺度，例如低维量子空间里，可否激发类似引力波的量子化现象？南京大学物理学院教授杜灵杰的团队在这个问题上取得了重大进展。

广义相对论和量子力学的统一，是物理学界公认的“终极问题”。引力子作为引力波所对应的自旋2的假想粒子，被视为连接两大理论的关键，但其探测难度堪称“宇宙级”。杜灵杰说：“著名英国物理学家戴森做过一个估计：如果把整个地球作为探测器，在最理想的情况下，我们需要10亿年才能探测到1个来自太阳的引力子。还有人预估需要建造像太阳系一样大的对撞机，这些是远超人类现有科技水平的。”

理论推测，分数量子霍尔效应中或涌现出类引力子，这种凝聚态准粒子是自旋2的低能模式激发（称为引力子模或引力子激发），但一直未能观测到。杜灵杰团队正是在分数量子霍尔效应中首次观察到引力子模的。2024年，团队利用自主研发搭建的“极低温强磁场共振非弹性偏振光散射系统”，在砷化镓半导体量子阱中观察到了分数量子霍尔引力子，并从自旋、动能、能量3个角度确认了相关实验数据。

谈及实验条件，杜灵杰连用3个“特别”：特别低的温度，接近绝对零度；特别强的磁场，是地球平均磁场的10万倍；特别低的能量，大约只有十几赫兹。“无论是仪器搭建，还是实验测量，都困难重重，但最终我们成功解决了这些问题。”据了解，这是自20世纪30年代引力子概念提出以来，人类历史上首次观测到有引力子特征的准粒子，对量子领域的研究意义重大。除了入选2024年度“中国科学十大进展”外，这一重大成果也同时入选“两院院士评选2024年中国十大科技进展新闻”。

无论是从实验技术角度还是从基础物理创新角度，杜灵杰团队都完成了“从0到1”的突破。实验结果证实了分数量子霍尔效应新的几何描述，有望推动半导体电子系统微观结构探测及拓扑量子计算发展。“该研究为我们提供了探索解决量子引力问题的新思路，未来人们可以在‘人造实验室’探索宇宙尺度物理。”中国科学院物理研究所副所长胡江平解读道。

作为一名“80后”科研工作者，杜灵杰坦言，之所以能够坚持5年耕耘不辍，离不开学校和科技部门的政策支撑。“在这个过程中，省里给了很多支持，比如科技部门发起的‘攀登’项目。省物理科学研究中心在我们项目经费紧缺的时候也提供了关键性的帮助，让我们有信心把‘冷板凳’坐热，在基础研究这条路上继续走下去。”

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新思路：推动放射性废物的资源化利用

核能快速发展，伴随而来的是大量核废料。其中，半衰期长达数千年到百万年的锕系核素长期被视为环境负担。锕系核素的放射性（核衰变）本质上是一种源源不断的能量，如果能转化，将有效促进锕系核素资源化利用。一个可行的方案是将其核衰变转电，然而，锕系核素的阿尔法衰变在传统微型核电池结构中存在强烈的自吸收效应，使得开发高效锕系放射性同位素微核电池极具挑战。

苏州大学放射医学与辐射防护国家重点实验室教授王殳凹、王亚星团队联合多个科研机构，提出了基于“聚结型能量转换器”的锕系微型核电池结构设计理念，在分子级别上将放射性核素与能量转换单元紧密耦合，从根本上克服了自吸收效应，使衰变能转化效率提升了8000倍，实现了转化效率质的飞跃。

“传统的锕系放射性同位素电池，能量转化效率只有1‰不到，而我们的电池结构设计能够将其提升到1%，理想化状态可能提升至10%。”王殳凹表示，该研究结合光伏电池技术，将辐射自发光转化为电能输出，开发出新型锕系辐射光伏核电池，达到了此类电池最高的能量转换效率。实验中，团队研制的微型核电池在连续运行200小时的测试中展现出优异的性能稳定性。

据了解，该项进展是近几十年来核电池领域的重要突破之一，通过创新设计，将核废料中锕系核素衰变释放的能量转化为持久电能，实现变废为宝。在全球能源需求不断增长的背景下，其潜在应用场景也非常广泛。“能量转化效率提升后，放射性核素用量减少，成本降低，安全性却更高。”王殳凹介绍说，未来微型核电池有望在微型传感器、医疗植入器械以及不易换电的场合提供更为持久的电力支持。

“这是一个非常新颖且基础性的方案。”中国科学院院士、核物理学家、复旦大学副校长马余刚解读说。这一锕系辐射光伏核电池设计思路，在锕系元素化学与能量转换器件之间架起桥梁，兼具基础研究深度和潜在应用前景，为高效微型核电池开发提供了理论基础，也为放射性废物的资源化利用提供了新的思路。

王殳凹表示，他们的研究团队中既有“80后”主力，也有经验丰富的合作者。“苏大团队承担了绝大部分工作，湘潭大学欧阳晓平院士也在辐射探测材料、辐射能转化等理论方面给予我们关键指导。核能放射化学研究既面向世界科技前沿，又能服务国家重大需求。国内每年有很多基础研究的重大成果，我们的成果能够入选，我感到非常荣幸。”王殳凹说。

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新探索：揭开星系生死之谜的关键一步

“黑洞之于星系就像肿瘤之于人体，它还小的时候对宿主影响不大，一旦长得过快过大，就会严重扼杀星系制造新的恒星的能力。”南京大学天文与空间科学学院教授王涛用这样一个生动的比喻，向记者揭示了团队研究成果的核心逻辑。

图为南京大学天文与空间科学学院王涛教授（左二）带领团队成员开展研究

星系是构成宇宙的基本单位，探索其从“生”（恒星形成星系）到“死”（宁静星系）的演化机制，一直是星系宇宙学的核心任务之一。20世纪70年代，有科学家提出，星系中心的超大质量黑洞在吸积物质过程中释放的巨大能量对星系的形成演化具有重要作用。然而，黑洞是否影响以及如何影响星系的形成演化，却一直缺乏明确的观测支持。

针对这一重要科学问题，王涛教授团队历时3年多，创新性地从探索近邻星系的黑洞质量与星系中原子氢气体的含量之间的关系入手，首次揭示了星系中心黑洞的质量是调制星系中原子氢气体含量最关键的物理量：中心黑洞质量越高的星系，其原子氢气体含量越低。

原子氢气体是星系冷气体的主要组成部分，而冷气体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。”王涛解释说。该项发现意味着，通过中心黑洞在其成长过程中释放的能量来调节星系周气体的冷却效率，很可能是中心黑洞影响宿主星系形成演化的主要方式。

这个结论看似简单，却是几代科学家半个世纪“接力”的结果。王涛表示，受制于传统思维，此前科学家们主要聚焦黑洞最活跃的阶段进行研究，却始终没有发现明确证据。因此，团队转变思路，从黑洞质量角度重新出发探索答案，终于捕捉到黑洞与冷气体的深层关联。“我们的创新点在于，一是考虑到星系漫长的演化时标，我们相应地去探索中心黑洞在长时标上的活动性表征——黑洞质量与星系冷气体和恒星形成的关系；二是我们考虑到黑洞对冷气体的影响可能更多地体现为气体冷却的直接产物——原子氢气体，而不是形成机制更为复杂的分子气体。因此朝着黑洞质量与原子气体之间的关系努力，结果证明这个方向是正确的。”

该项研究揭示了中心黑洞主要通过限制冷气体这一恒星形成的原料来调控星系演化，解释了宁静星系普遍含有一个较大质量的中心黑洞的原因，向着最终揭开星系生死之谜迈出关键一步。“现在我们相当于找到了黑洞影响星系形成演化的观测证据，打开了一个窗口，解决了是不是黑洞在起作用的问题。”王涛表示，未来，团队还将进一步探寻其背后的物理机制，探索黑洞如何起作用，“这不仅能向我们揭示银河系这样的星系是怎么来的、如何死亡，也能为我们理解星系里的恒星、行星乃至生命的诞生提供新思路。”

来源：江苏教育报

编辑：王筱

审核：范文 许南欣