新闻及香港科大故事

由香港科技大学（科大）物理系曹圭鹏教授领导的国际物理学家团队，最近在研究中首次在二维偶极超冷原子气体中观测到BKT相变，这项突破性研究对理解二维超流体在长程各向异性相互作用下的表现立下了新的里程碑。 在传统三维世界中，由冰融化成水这类相变一般都遵循对称性自发破缺规律。但早于1970年代便有前沿研究估计，二维系统中可能会发生一种独特的拓扑相变——Berezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）相变，这种机制中涡旋─反涡旋对的配对驱动超流性形成，而无需传统对称性破缺，这种相变过程强烈依赖相互作用。自此，这现象主要在具有短程各向同性接触相互作用的各种量子系统中进行研究。 与传统超冷气体中的接触相互作用不同，偶极相互作用能够跨越整个系统，产生丰富的集体行为。研究团队通过实验证明了偶极相互作用如何改变BKT相变的临界参数。 「偶极相互作用为量子多体现象带来了新的维度。」领导该研究的曹教授解释道：「从微观角度看，这种相互作用具有方性和长程性，意味着粒子即使相隔较远仍能相互『感知』。 这挑战了我们对低维系统中有序态如何涌现的固有认知。」研究团队的观察指出，偶极气体的二维超流相变点仍遵循BKT相变，但依赖于相互作用的相变点会因偶极矩与平面法线方向的相对角度而发生偏移。 论文第一作者之一及曹教授的毕业生何逸飞补充道：「二维偶极系统是探索奇异量子相的理想平台。即使在中等强度的偶极相互作用下，当所有偶极子都指向平面内时，我们也在二维偶极超流体中观测到了独特的非局域效应和各向异性的密度之间的关联。未来通过进一步增强偶极相互作用强度，我们将有望观测到低维系统中更丰富的自发形成结构。」

香港科技大学（科大）近日邀得三名诺贝尔奖得主，与近200名师生和嘉宾作现场交流。 活动同时吸引了约2,000名来自内地各个高等院校的线上观众参与，彰显科大在推动跨学科创新，以及连结本地科研社群与全球思想领袖方面的努力。 作为今年「香港世界青年科学大会」暨「香江诺贝论坛」的主题活动，这场名为「我与科学家在一起：诺贝尔奖得主走进科大」的活动于4月14日举行，由科大与香港北京高校校友联盟（京校联） 合办。 三位享誉国际的诺贝尔奖得主分享了他们的真知灼见： May-Britt MOSER教授：2014年诺贝尔生理与医学奖得主，以发现大脑空间导航系统中的网格细胞闻名 Konstantin NOVOSELOV教授： 2010年诺贝尔物理学奖得主，因石墨烯和二维材料的卓越研究获奖 Didier QUELOZ教授：2019年诺贝尔物理学奖得主，因首次发现一颗围绕类太阳恒星的系外行星而改写了天文学史 这三位顶尖科学家分享了他们的科研历程以及对未来科学突破的展望，同时强调好奇心驱动研究的重要性。 科大校长叶玉如教授感谢一众贵宾亲临校园，并衷心答谢主办方和支持机构的精心安排。 她说：「今天的活动不仅让师生有机会与优秀的科学家交流，更能一同深入探索科学研究的本质。 科大自创校以来，一直秉持推动创新、研究与知识转移的使命，而这些诺贝尔奖得主所展现的好奇心、创造力与坚毅不屈的精神，正正是科大致力培养学生所具备的素质。 我期盼他们的科研历程，能启发师生们继续追求突破，透过跨学科、跨地域的合作，共同发掘知识的力量，造福社会。」

香港科技大学（科大）学者联同世界各地研究人员一同参与的研究项目，荣获被誉为"科学界奥斯卡"的2025年基础物理突破奖。该获嘉许的项目为欧洲核子研究组织（CERN）旗下的超环面仪器（ATLAS） 合作组，而科大团队参与了「上帝粒子」希格斯玻色子以及跨越粒子物理标准模型的新物理探索工作，为该研究作出了重要贡献。是次获奖不仅表彰ATLAS合作组在大型强子对撞机上进行突破性的高能量粒子碰撞研究，亦同时印证科大研究人员过去十年来，致力于研究创新的成果。 突破奖是全球最大的科学奖项之一，由Google联合创始人谢尔盖·布林（Sergey Brin）和Meta联合创始人马克·朱克伯格（Mark Zuckerberg）等科技界重量级人物共同创立。大会特别表彰ATLAS合作组于粒子物理领域的重大贡献，包括对希格斯玻色子性质的详细测量、稀有过程（rare processes）和正反物质不对称性（matter-antimatter asymmetry）的研究， 以及在极端条件下探索自然规律。 ATLAS 合作组汇聚全球243个机构的超过6,000名科学家、学生、工程师和技术人员。 自2014年加入合作组以来，由科大、香港大学和香港中文大学数十名研究人员组成的香港研究团队，在推进对希格斯玻色子及其相互作用的理解方面发挥了关键作用，以助科学界解开宇宙奥秘。 科大于2014年开始参与合作组，协助建设ATLAS渺子（muon）探测系统，并参与数据分析以探索新物理。香港团队在基础物理联合研究（JCFP）的框架下进行协作，成员包括10个来自科大赛马会高等研究院基础物理中心的物理学家、学生和工程师，他们领导测量希格斯玻色子性质、开发先进分析技术方面的工作，包括详细测量希格斯玻色子性质以确定质量生成对称性破缺机制、研究稀有过程和正反物质不对称性，以及在CERN的大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC）上探索最短距离，和最极端条件下的自然规律。

香港科技大学（科大）物理系和化学系副教授潘鼎的课题组与数学系姚远教授合作，在超临界水中二氧化碳（CO₂）的复杂反应机制研究方面取得了重要发现。这些成果不仅对了解自然界和工程领域中二氧化碳矿化封存的分子机制有重要意义，对了解地球内部碳循环也同样重要，有助于为未来发展碳封存技术提供新的方向。研究结果已发表在《美国国家科学院院刊》*（PNAS）上。二氧化碳在水中的溶解及其后续的水解反应是有效碳捕集和矿化储存的关键过程，对有助缓解全球变暖的碳封存技术意义重大。潘鼎教授领导的团队通过发展和应用第一性原理马尔可夫模型，揭示了在体相和纳米受限环境中二氧化碳与超临界水的反应机制。他们发现pyrocarbonate（C₂O₅²⁻）是纳米受限环境中稳定且重要的反应中间体，由于pyrocarbonate在水溶液中极易分解，无法稳定存在，故此前一直被忽视。这次pyrocarbonate的意外出现与受限溶液的超离子行为有关。此外，研究团队还发现碳酸化反应涉及沿瞬态水链的集体质子转移，这种转移在体相溶液中表现出协同行为，但在纳米受限条件下可逐步进行。此项研究展示了第一性原理马尔可夫模型在阐明水溶液中复杂反应动力学方面的巨大潜力。“我们的创新方法使我们发现了一个涉及pyrocarbonate离子的二氧化碳溶解新路径。” 物理系研究助理教授李楚表示，“我们的高效计算方法不依赖先验知识，能够在没有人为偏见的情况下自动识别反应路径，并在物理学第一性原理的基础上揭示未知的反应机理。”

由香港科技大学（科大）领导的科研团队，近日通过使用超冷费米子在二维空间中进行了有关非厄米趋肤效应的量子模拟，并取得了突破性进展，标志着量子物理研究的重要进步。量子力学通常考虑一个与其环境良好隔离的系统，可以描述从固体中的电子行为到量子设备中的信息处理等普遍现象。这种描述通常需要一个实值可观察量，具体来说，就是一个厄米模型（哈密顿量）。然而，当量子系统与其环境交换粒子和能量时，可以保证具有实特征值和能量守恒的模型的厄米性质就会被破坏。这样的开放量子系统可以通过非厄米哈密顿量有效描述，并提供了对量子信息处理、曲面空间、非平凡拓扑相位甚至黑洞等领域的关键见解。然而，关于非厄米量子动力学，尤其是在高维度情况下，仍有许多问题尚未解答。与北京大学（北大）合作，来自两所大學的物理学家们模拟了一个引人入胜的现象——非厄米趋肤效应（NHSE），该效应涉及将特征态积聚在开放系统的边界。这一成功的演示标志着关键的进展，因为先前对非厄米趋肤效应的实验实现仅限于较低维度或经典系统，而不是量子系统。这一发现于2025年1月8日发表在《自然》期刊上。该研究由科大物理学系曹圭鹏教授领导，在自旋轨道耦合的光晶格中为超冷费米子创建了一个具有可调耗散的二维非厄米拓扑带，揭示了非厄米趋肤效应。曹教授表示：「我们的工作揭示了一个引人入胜的系统，使我们可以探索非厄米性如何与对称性和拓扑相互作用。」曹教授说：「我们的实验自然地成为了一个量子多体系统而非经典系统，从而开辟了使用带有耗散的超冷费米子进行非厄米量子动力学研究的途径。」团队另一位领导人、北大教授刘雄军补充说：「高维度的非厄米趋肤效应与曲面、黑洞、量子信息和高阶拓扑相位等基本厄米情景的相互作用需要在超越一维范畴的多体系统中进行探索。我们系统的高度控制性使其成为一个用于探索高维度的非厄米现象地多功能平台，同时也为我们提供了对凝聚态物理和超冷原子领域之外的奇特量子物理的理解。」

由香港科技大学（科大）物理系和化学系副教授潘鼎带领的研究团队，近日在深地条件下C-H-O-N流体中有机分子的非生物合成与稳定性研究中，取得重大进展。 研究为生命起源的潜在场所提供了新启示，成果已发表在Journal of the American Chemical Society《美国化学学会期刊》*上。 生命起源是一个引人入胜的科学问题，多年来吸引了众多研究者的关注，并提出了许多理论，但至今仍未能完全解开这项谜题。 早在大约150年前由达尔文首先提出生命可能诞生在一个温暖的小池塘中，到后来被Alexander Oparin和J. B. S. Haldane发展为著名的「原始汤」理论，即无机小分子在原始地球通过反应生成第一批有机化合物，通过进一步的转化，「汤」中出现了更复杂的有机聚合物，最终产生了生命。 1953年，著名的Miller-Urey实验通过模拟原始地球大气层受闪电的影响对这假设进行了验证。 在众多学说中，深海热液喷口的极端压力及温度普遍被认为有符合生命起源的条件，但一些研究亦指出，喷口中的高温可能会迅速降解水溶液中的关键生物分子，影响生命的诞生。

香港科技大学（科大）物理系刘军伟教授与上海交通大学（上海交大）贾金锋教授和李耀义教授领导的合作研究团队在拓扑晶体绝缘体碲化锯的超导涡旋上发现了一种新的马约拉纳零能模（Majorana zero modes，MZMs），同时研究出利用晶体对称性调控MZMs间的杂化方法。 这项最新发现开辟了实现容错量子计算机的新途径，研究结果发表在《自然》期刊*上。 MZMs是超导体中的零能量的、拓扑非平庸的准粒子，其粒子编织方式是非阿贝尔的，即是即使交换次数相同，以不同次序交换粒子，也会产生不同的量子态（图2a）。 这特性与电子和光子等一般粒子截然不同，因为一般粒子的量子态和交换的次序无关（图2b）。 MZMs的这项扭结编织特性可以保护MZMs免受局域的干扰，所以它们是实现容错量子运算的理想平台。 虽然近年科学家发展出人工制造拓扑超导体的方法，但由于在实验室中实现MZMs编织所需特定磁场，又难似控制对MZMs之间的杂化，而这些实验中的MZMs相距亦甚远，一直无法成功耦合MZMs。 科大的理论研究团队和上海交大的实验团队合作，利用制备拓扑材料、以扫瞄穿隧显微镜测量和大规模数值模拟的丰富经验，研究出崭新方法来耦合MZMs，突破过往实验的瓶颈。 他们在碲化锯中发现了一种受晶体对称性保护的MZMs，首次证实了多个MZMs能同时存在于同一超导涡旋中; 在不涉及远距离移动MZMs和强磁场的情况下，破坏磁性镜像对称性，同一涡旋中操纵了MZMs的杂化。 （图3）

由香港科技大学（科大）物理系副教授刘滔教授领导的研究团队，最近提出了一种探测高频重力波（high-frequency gravitational waves， HFGWs）的突破性方法，只需利用现时正在运作以及未来建造的天文望远镜，便可能在行星磁层中有效地探测高频重力波。 这项研究突破有可能大大提高科学家探测高频重力波的能力，并促进对早期宇宙和剧烈天文事件的研究。 重力波可由早期宇宙的相变、原始黑洞的碰撞，甚至是高温粒子的辐射和衰变等事件产生，但重力波效应极其微弱，目前只在相对较低的频段中利用干涉测量被发现。 利用重力波探索天文和宇宙学，仍然非常困难，尤其在1000 赫兹以上的高频段，干涉测量技术的使用也受到极大限制。 为了解决这个问题，刘滔教授带领及其博士后研究员张晨博士，与中国科学院高能物理研究所任婧教授合作组成的研究团队，取得突破性研究结果。 研究利用了一个有趣的物理效应，即重力波在磁场中可以转换为潜在的、可被侦测到的电磁波。 若利用行星磁层内的长路径提高转换效率，便可产生更多的电磁波讯号。 由于这类行星实验室内信号通量的角分布广泛，因此若望远镜具有宽视野，探测能力可获得进一步增强。 这个崭新概念让天文望远镜化身成重力波信号的探测器，通过不同天文望远镜的合并使用，可以广泛覆盖高频重力波频率，与天文观测的电磁波频率相同（约兆赫兹至10^28赫兹）。 这甚至包括很大一部分以前从未探索过的重力波频段。 这项研究对近地轨道卫星探测器，以及木星磁层内正在执行任务的探测器的灵敏度，都进行了初步评估。 这次研究和相关结果已于 3月在《物理评论快报》发表，及后于5月更获《自然天文学》的重点文章以「以行星大小的实验室为宇宙学提出新见解（Planet-sized laboratories offer cosmological insights）」为题撰文介绍，强调这项研究对未来研究新型重力波探测技术的重要性。