新聞及香港科大故事

香港科技大學（科大）工學院研究團隊成功研發了一種革命性的計算框架，深化了科學界對土壤、沙粒和藥物粉末等顆粒材料動力學的理解。此突破性模型能透過綜合分析水、空氣及粒子間的相互物理作用，準確預測山泥傾瀉，改善農業灌溉及石油抽取系統，並有助提升食物和藥物的製造流程。 預測顆粒材料動力的挑戰 固體顆粒材料（如：土壤、沙子，以及製藥和食品生產中使用的粉末）的流動，是支配許多自然環境與工業過程的基本機制。理解這些顆粒與周邊流體（如水、空氣）的互動關係，對預測土壤崩塌或流體滲漏等狀況至關重要。然而，現存模型在捕捉這些相互作用，尤其是當這些物質處於「不完全飽和狀態」，因而牽涉到毛細吸力、黏滯力等複雜的計算因素在內時，要精準預測這些狀況極為困難。 PUA-DEM革新顆粒模型範式 為應對這些挑戰，科大土木及環境工程學系的趙吉東教授及其團隊研發了「孔隙單元體 – 離散元模型」（簡稱PUA-DEM模型）。有別於傳統模型多採用過度簡化的單向流固耦合分析（如僅考慮流體對固體的單向影響等），PUA-DEM模型能綜合計算顆粒、空氣和水之間的物理交互動態，透過多向耦合分析，精準捕捉固體及流體的移動，並能準確模擬顆粒在不同飽和狀態 (從完全濕透至完全乾燥的情況)下，壓力釋放程度的變化。 基於基礎物理原理，這首創模型能精準預測流體和固體在交互作用下各種複雜狀況，在岩土工程、環境科學與工業製造等領域，均有巨大的應用潛力。 顆粒模型應用廣泛 研究團隊正尋求與政府及業界合作，期望應用此技術以助解決現實生活的不同挑戰。當中包括開發山泥傾瀉早期預警系統； 透過模擬根土保水能力的交互作用以完善灑水灌溉策略；以及透過多方流體預測系統以協助改進現時石油採集以及碳封存工序的效率等。除此以外，新技術亦有望革新藥物製造，透過更精準控制粉末的加工程序，使藥物生產更安全和更高效，並有助確保藥物劑量的一致性，從而提升療效及改善病人預後。在食品製造方面，新技術可望革新咖啡、糖，以及嬰兒配方奶粉等顆粒生產工序，改善其質地、溶解度以及保存穩定性等，亦有效減少耗能與浪費。

香港科技大學（科大）物理學系助理教授宋雪洋教授榮獲2025年「裘槎麥德華前瞻科研大獎」，表彰她在凝聚態物理學的突破性研究。她的研究有望設計出高效導電或導熱的材料，革新能源技術。宋教授將獲裘槎基金會頒發500萬港元研究資金，以支持其研究。 「裘槎麥德華前瞻科研大獎」是裘槎基金會最頂尖的獎項之一，旨在培育香港科研界的明日之星，獲頒授此榮譽的學者需擁有卓越的博士研究工作、國際競爭力的研究成果，且對所屬的研究領域有重大貢獻。 解密量子世界   推進可持續未來 宋雪洋教授的研究聚焦「解密」量子材料，這些物質具超導體特性及粒子出現分數化行為，她專注在研究阻挫量子磁體、分數量子霍爾狀態及奇異超導態等量子材料，探討分數化與規範結構等新興物理現象。她的研究運用對稱性、反常現象及拓撲學等尖端框架，解析先進材料（尤其是二維系統，如轉角系統）的物理特性與相變過程。透過結合理論、解析模型與計算模擬工具，她將基礎物理結合實際應用，包括高效能材料與新型器件。 獎項推動量子材料創新 「對於能夠榮獲『裘槎麥德華前瞻科研大獎』，我感到無比榮幸與振奮」，宋教授表示，「憑藉這份支持，讓我們能放膽依循自己的好奇心以及興趣所在進行研究，我的目標是揭開量子材料之謎，探尋為何一些材料有極其高效或反直覺的導電或導熱能力，通過破解這些現象，我們可以設計新型材料，開創前沿、突破性的節能技術，並應用至小型電器，以至大型供電網絡等不同層面。」

由香港科技大學（科大）物理系曹圭鵬教授領導的國際物理學家團隊，最近在研究中首次在二維偶極超冷原子氣體中觀測到BKT相變，這項突破性研究對理解二維超流體在長程各向異性相互作用下的表現立下了新的里程碑。 在傳統三維世界中，由冰融化成水這類相變一般都遵循對稱性自發破缺規律。但早於1970年代便有前沿研究估計，二維系統中可能會發生一種獨特的拓撲相變——Berezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）相變，這種機制中渦旋 ─ 反渦旋對的配對驅動超流性形成，而無需傳統對稱性破缺，這種相變過程強烈依賴相互作用。自此，這現象主要在具有短程各向同性接觸相互作用的各種量子系統中進行研究。 與傳統超冷氣體中的接觸相互作用不同，偶極相互作用能夠跨越整個系統，產生豐富的集體行為。研究團隊通過實驗證明了偶極相互作用如何改變BKT相變的臨界參數。 「偶極相互作用為量子多體現象帶來了新的維度。」領導該研究的曹教授解釋道：「從微觀角度看，這種相互作用具有方性和長程性，意味著粒子即使相隔較遠仍能相互『感知』。這挑戰了我們對低維系統中有序態如何湧現的固有認知。」研究團隊的觀察指出，偶極氣體的二維超流相變點仍遵循BKT相變，但依賴於相互作用的相變點會因偶極矩與平面法線方向的相對角度而發生偏移。 論文第一作者之一及曹教授的畢業生何逸飛補充道：「二維偶極系統是探索奇異量子相的理想平台。即使在中等強度的偶極相互作用下，當所有偶極子都指向平面內時，我們也在二維偶極超流體中觀測到了獨特的非局域效應和各向異性的密度之間的關聯。未來通過進一步增強偶極相互作用強度，我們將有望觀測到低維系統中更豐富的自發形成結構。」

香港科技大學（科大）近日邀得三名諾貝爾獎得主，與近200名師生和嘉賓作現場交流。活動同時吸引了約2,000名來自內地各個高等院校的線上觀眾參與，彰顯科大在推動跨學科創新，以及連結本地科研社群與全球思想領袖方面的努力。 作為今年「香港世界青年科學大會」暨「香江諾貝論壇」的主題活動，這場名為「我與科學家在一起：諾貝爾獎得主走進科大」的活動於4月14日舉行，由科大與香港北京高校校友聯盟(京校聯) 合辦。三位享譽國際的諾貝爾獎得主分享了他們的真知灼見： May-Britt MOSER教授：2014年諾貝爾生理與醫學獎得主，以發現大腦空間導航系統中的網格細胞聞名 Konstantin NOVOSELOV教授： 2010年諾貝爾物理學獎得主，因石墨烯和二維材料的卓越研究獲獎 Didier QUELOZ教授：2019年諾貝爾物理學獎得主，因首次發現一顆圍繞類太陽恆星的系外行星而改寫了天文學史 這三位頂尖科學家分享了他們的科研歷程以及對未來科學突破的展望，同時強調好奇心驅動研究的重要性。 科大校長葉玉如教授感謝一眾貴賓親臨校園，並衷心答謝主辦方和支持機構的精心安排。她說：「今天的活動不僅讓師生有機會與優秀的科學家交流，更能一同深入探索科學研究的本質。科大自創校以來，一直秉持推動創新、研究與知識轉移的使命，而這些諾貝爾獎得主所展現的好奇心、創造力與堅毅不屈的精神，正正是科大致力培養學生所具備的素質。我期盼他們的科研歷程，能啟發師生們繼續追求突破，透過跨學科、跨地域的合作，共同發掘知識的力量，造福社會。」

香港科技大學（科大）學者聯同世界各地研究人員一同參與的研究項目，榮獲被譽為「科學界奧斯卡」的2025年基礎物理突破獎。該獲嘉許的項目為歐洲核子研究組織（CERN）旗下的超環面儀器（ATLAS） 合作組，而科大團隊參與了「上帝粒子」希格斯玻色子以及跨越粒子物理標準模型的新物理探索工作，為該研究作出了重要貢獻。是次獲獎不僅表彰ATLAS 合作組在大型強子對撞機上進行突破性的高能量粒子碰撞研究，亦同時印證科大研究人員過去十年來，致力於研究創新的成果。 突破獎是全球最大的科學獎項之一，由Google聯合創始人謝爾蓋·布林（Sergey Brin）和Meta聯合創始人馬克·朱克伯格（Mark Zuckerberg）等科技界重量級人物共同創立。大會特別表彰ATLAS 合作組於粒子物理領域的重大貢獻，包括對希格斯玻色子性質的詳細測量、稀有過程（rare processes）和正反物質不對稱性（matter-antimatter asymmetry）的研究，以及在極端條件下探索自然規律。 ATLAS 合作組匯聚全球243個機構的超過6,000名科學家、學生、工程師和技術人員。自2014年加入合作組以來，由科大、香港大學和香港中文大學數十名研究人員組成的香港研究團隊，在推進對希格斯玻色子及其相互作用的理解方面發揮了關鍵作用，以助科學界解開宇宙奧秘。 科大於2014年開始參與合作組，協助建設ATLAS 渺子（muon）探測系統，並參與數據分析以探索新物理。香港團隊在基礎物理聯合研究（JCFP）的框架下進行協作，成員包括10個來自科大賽馬會高等研究院基礎物理中心的物理學家、學生和工程師，他們領導測量希格斯玻色子性質、開發先進分析技術方面的工作，包括詳細測量希格斯玻色子性質以確定質量生成對稱性破缺機制、研究稀有過程和正反物質不對稱性，以及在CERN的大型強子對撞機（Large Hadron Collider, LHC）上探索最短距離，和最極端條件下的自然規律。

由香港科技大學（科大）物理系和化學系副教授潘鼎帶領的研究團隊，與數學系姚遠教授合作，在超臨界水中二氧化碳（CO₂）的複雜反應機制研究方面取得了重要發現。這些成果不僅對了解自然界和工程領域中二氧化碳礦化封存的分子機制有重大意義，對了解地球內部碳循環也同樣重要，有助為未來發展碳封存技術提供新方向。研究結果已發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）*上。 二氧化碳在水中的溶解及其後續的水解反應是有效碳捕集和礦化儲存的關鍵過程，對有助緩解全球變暖的碳封存技術意義重大。潘鼎教授領導的團隊通過發展和應用第一性原理馬可夫模型，揭示了在體相和納米受限環境中二氧化碳與超臨界水的反應機制。他們發現pyrocarbonate（C₂O₅²⁻）是納米受限環境中穩定且重要的反應中間體，由於pyrocarbonate在水溶液中極易分解，無法穩定存在，故之前一直被忽視， 這次pyrocarbonate的意外出現與受限溶液的超離子行為有關。 此外，研究團隊還發現，碳酸化反應涉及沿瞬態水鏈的集體質子轉移，這種轉移在體相溶液中表現出協同行為，但在納米受限條件下可逐步進行。此項研究展示了第一性原理馬可夫模型在闡明水溶液中複雜反應動力學方面的巨大潛力。

由香港科技大學（科大）物理系和化學系副教授潘鼎帶領的研究團隊，近日在深地條件下C-H-O-N流體中有機分子的非生物合成與穩定性研究中，取得重大進展。研究為生命起源的潛在場所提供了新啟示，成果已發表在Journal of the American Chemical Society《美國化學學會期刊》*上。 生命起源是一個引人入勝的科學問題，多年來吸引了眾多研究者的關注，並提出了許多理論，但至今仍未能完全解開這項謎題。早在大約150年前由達爾文首先提出生命可能誕生在一個「溫暖的小池塘」中，到後來被Alexander Oparin和J. B. S. Haldane發展為著名的「原始湯」理論，即無機小分子在原始地球通過反應生成第一批有機化合物，通過進一步的轉化，「湯」中出現了更複雜的有機聚合物，最終產生了生命。1953年，著名的Miller-Urey實驗通過類比原始地球大氣層受閃電的影響對這假設進行了驗證。在眾多學說中，深海熱液噴口的極端壓力及溫度普遍被認為有符合生命起源的條件，但一些研究亦指出，噴口中的高溫可能會迅速降解水溶液中的關鍵生物分子，影響生命的誕生。 潘教授帶領的團隊探索了原始地球更深的內部作為生命起源場所的可能性，應用高效的第一性原理分子動力學模擬（>2.5ns）和自由能計算相結合的計算方法，研究了由NH₃、H₂O、H₂和CO小分子組成的C-H-O-N流體在地球上地幔條件下（10-13 GPa，1000-1400 K）的化學反應。研究結果發現，在無催化劑的情況下，上百種有機物在超臨界流體中生成，當中CN化合物的組成受到壓力和溫度的顯著影響。通過自由能計算，發現壓力和溫度在10 GPa 和1400 K的條件下最有利於C-N化學鍵的形成和保持穩定，即與生命直接相關的分子如甘氨酸、核糖、尿素、類尿嘧啶等都可以在C-H-O-N流體中產生。 潘教授解釋：「與之前認為大型有機分子可能在極端條件下的水溶液中迅速降解的觀點相反，我們的研究表明這些合成的生物分子在C-H-O-N流體中可以穩定存在，這有可能為生命起源的早期階段提供了必要的初始成份。」

香港科技大學（科大）物理系劉軍偉教授與上海交通大學（上海交大）賈金鋒教授和李耀義教授領導的合作研究團隊在拓撲晶體絕緣體碲化鍚的超導渦旋上發現了一種新的馬約拉納零能模（Majorana zero modes，MZMs），同時研究出利用晶體對稱性調控MZMs間的雜化方法。這項最新發現開闢了實現容錯量子電腦的新途徑，研究結果發表在《自然》期刊*上。 MZMs是超導體中的零能量的、拓撲非平庸的準粒子，其粒子編織方式是非阿貝爾的，即是即使交換次數相同，以不同次序交換粒子，也會產生不同的量子態（圖1a）。這特性與電子和光子等一般粒子截然不同，因為一般粒子的量子態和交換的次序無關（圖1b）。MZMs的這項扭結編織特性可以保護MZMs免受局域的干擾，所以它們是實現容錯量子運算的理想平台。雖然近年科學家發展出人工製造拓撲超導體的方法，但由於在實驗室中實現MZMs編織所需特定磁場，又難似控制對MZMs之間的雜化，而這些實驗中的MZMs相距亦甚遠，一直無法成功耦合MZMs。 科大的理論研究團隊和上海交大的實驗團隊合作，利用製備拓撲材料、以掃瞄穿隧顯微鏡測量和大規模數值模擬的豐富經驗，研究出嶄新方法來耦合MZMs，突破過往實驗的瓶頸。他們在碲化鍚中發現了一種受晶體對稱性保護的MZMs，首次證實了多個MZMs能同時存在於同一超導渦旋中；在不涉及遠距離移動MZMs和強磁場的情況下，破壞磁性鏡像對稱性，同一渦旋中操縱了MZMs的雜化。（圖2）