微观粒子研究的新进展
一、寻找和发现新粒子的进展
1．寻找希格斯玻色子的新成果
⑴认为很快可以发现“希格斯玻色子”。
2008年4月，国外报道，40多年前，预言“希格斯玻色子”存在的英国物理学家彼得·希格斯，在参观欧洲核子研究中心的大型强子对撞机时对媒体说：“几乎可以确定，很快就可以发现希格斯玻色子。”
希格斯玻色子被认为是物质的质量之源，它是“标准模型”这一粒子物理学理论中，最后一种未被证实的粒子。但是，它的存在，却是整个“标准模型”的基石。因此，它被称为粒子物理学的“圣杯”，也被称为“上帝粒子”，充满了神秘色彩。
自从希格斯预言这一粒子存在以来，科学家们就一直试图在实验中发现该粒子，从而证实其存在，但至今所有努力均告失败。
2003年开始兴建的欧洲大型强子对撞机，位于法国和瑞士边境地区地下100米深、约27公里长的环形隧道中，耗资总计约20亿美元。它凭借能使单束粒子流能量达到7万亿电子伏特，而成为世界上能级最高的对撞机。科学家普遍期望在这一对撞机的帮助下，能够在前所未有的对撞能量下，取得包括发现希格斯玻色子在内的新发现。
不过，希格斯认为，发现希格斯玻色子，未必一定需要大型强子对撞机的帮助。迄今已运行多年的，美国费米实验室的万亿电子伏特加速器，可能已经获得了希格斯玻色子存在的数据。他说：“这是可能的。希格斯玻色子的身影，可能已存在于他们获得的数据中了，只是还没有从数据分析中找到而已”。
经过长期研究和探索，科学家们建立起被称为“标准模型”的粒子物理学理论，它把基本粒子（构成物质的亚原子结构）分成3大类：夸克、轻子与玻色子。“标准模型”的出现，使得各种粒子如万鸟归林般拥有了一个共同的“家园”。但是这一“家园”有个致命缺陷，那就是该模型无法解释物质质量的来源。
为了修补上述理论大厦的缺陷，英国科学家彼得·希格斯提出希格斯场的存在，并进而预言希格斯玻色子的存在。假设出的希格斯玻色子是物质的质量之源，其他粒子在希格斯玻色子构成的“海洋”中游弋，受其作用而产生惯性，最终才有了质量。尔后所有的粒子在除引力外的另3种力的框架中相互作用，统一于“标准模型”之下，构筑成大千世界。
“标准模型”预言了62种基本粒子的存在，这些粒子基本都已被实验所证实，而希格斯玻色子是最后一种未被发现的基本粒子。1919年，卢瑟福用天然放射源实现了第一个原子核反应，即利用阿尔法粒子轰击氮、氟、钾等元素的原子核发现了质子。不久，人们就提出了用人造快速粒子源来改变原子核的设想。
简单地说，粒子加速器，是一种用人工方法，产生快速带电粒子束的装置。它利用一定形态的电磁场将电子、质子或重离子等带电粒子加速，能提供速度甚至接近光速的各种高能量的带电粒子束，是人们改变原子核和基本粒子，认识物质深层结构的重要工具。20世纪30年代初以来，回旋加速器、静电加速器相继问世。尔后，人们又陆续发明了各种高能加速器。
20世纪50年代初，有人开始考虑利用对撞粒子束来获得更高能量，并进而发明了粒子对撞机。粒子对撞机是加速器的一种，其主要作用是积累并加速相向运行的两束粒子流，到一定强度及能量时使其进行对撞，以产生足够高的反应能量。
几十年来，人们应用粒子加速器，在探索物质构成之谜的道路上取得了许多重大成果，并建立起粒子物理学这样一门新学科。目前，加速器的应用已经远远超出了粒子物理学的领域，在诸如材料科学、分子生物学、医学等领域都有广泛而重要的应用。
⑵发现与希格斯玻色子特征一致的新粒子。
2012年7月4日，欧洲核子研究中心宣布，追寻将近半个世纪后，找到一种新亚原子粒子，这种粒子与据信构成质量的“上帝粒子”、即希格斯玻色子的特征“一致”。由此，万物质量来源之谜或可解开，粒子物理学中缺失的重要一环或可填补。
之所以用“相一致”这样的表述，是因为科学严谨性，要求科学家更加精确地证明，他们所发现粒子的特征和特性。在把误差缩小至既定范围后，“相一致”才能换成“就是”。
欧洲核子研究中心主任罗尔夫・霍伊尔在日内瓦举行新闻发布会上说：“在对自然的理解之路上，我们抵达一座里程碑，作为一个外行人，我会说我们已经发现它(希格斯玻色子)了，但作为一名科学家我不得不问一句，‘我们发现的是什么’。所以，我只能宣布，我们发现一种玻色子，现在我们正在确认它是怎样的一种玻色子。”
由于希格斯玻色子能量巨大、到处存在却难以追寻，因此被称作是“上帝粒子”。过去数十年，数万名物理学家和数以十亿美元计的资金投入研究，用以寻找“上帝粒子”，逐步缩小搜寻范围，直至4日出现突破性成果。
欧洲核子研究中心在声明中说，两座各自独立的实验室，都发现了这种亚原子粒子，质量范围在125至126吉电子伏特之间。两家实验室都宣布，数据结果的统计确定性为5西格玛，或5标准差。5西格玛，换算成统计误差率，大约为0.00006%。
在粒子物理学界，若要证实某一发现，数据统计确定性需要达到5标准差；若要作为证据，统计确定性必须达到3标准差。
欧洲核子研究中心实验室发言人乔・因坎代拉说：“虽然是初步结果，但5标准差和125吉电子伏特的结果让我们确信，这是一个新粒子，我们确认，它必须是一种玻色子，而且是我们迄今为止发现的最重的玻色子，这一发现意义重大。同时，我们必须极其努力地继续研究与反复核校。”
2．寻找和发现其他微观粒子的新成果
⑴利用硅片捕捉超冷原子。
2006年5月28日，加拿大多伦多大学博士后赛斯·奥宾领导的一个研究小组，在《自然·物理》杂志上发表论文，宣称他们简化并提高了产生超冷费米子气体的效率。超冷费米子气体，是高温超导体量子模拟过程中所必须的。
奥宾说：“我们的想法是，要创造出我们自己的用于模拟的哈密顿量。利用硅片来实现这个过程是全新的。我们在硅片上光刻出一些线，这些线能够更紧密地捕捉冷原子。”捕捉的冷原子越紧密，它们之间的碰撞概率就越高，再加热速度就越快。当捕捉稀有原子用来模拟时，这个性质尤为重要。
多伦多大学的这个研究小组，产生超冷费米气体的方法，相对以前的方法更有效。奥宾说：“以前要用到两个连通的真空室，而我们只需要一个。典型的循环时间尺度在30秒到90秒之间，而我们能做到30秒以下。”其中最重要的部分是蒸发共同冷却，研究小组可以把这个部分的循环降低到6秒。
利用在硅片上微加工的紧密磁捕捉线，奥宾研究小组可以实现特殊种类捕捉原子的蒸发和共同冷却。当这个过程完成之后，费米子就可以安装到光学格子上去了。其中费米子表示哈密顿量中的电子，光学格子模拟的则是晶格。利用这套系统，可以通过模拟求解不同的哈密顿量。
奥宾承认，这套系统一般比较快，但是它更适合于捕捉大量的原子。他们正在尝试捕捉稀有原子，当利用这套系统捕捉稀有原子时，它的效率就要低得多了。
虽然这项工作没有直接的应用，但是奥宾仍然看到了十年内它的光明前景。物理学家们可以利用它在芯片上处理费米简并态。因为可以在一块芯片上进行多重捕捉，所以它可以用来模拟具有相互作用的量子系统。这对量子信息处理，高精确性测量仪器和干涉仪都有好处。奥宾说：“费米干涉仪可能对测量惯性力和引力带来重大突破。”他还提到这项工作对费米子原子钟的应用价值，它可以使原子中精度更高。
奥宾说：“费米子比玻色子精度更高。简并剥色气体或者玻色-爱因斯坦凝聚非常精确，但是精度不高。而费米子会损失一点精确性，但是得到了很高的精度。”利用这项新的超冷费米子产生技术，还有助于简化姊妹种量子气体、多体原子态和超流态的显式形式。
⑵首次成功观测到“逃离”原子的电子。
2007年4月，德国马克斯•普朗克量子光学研究所弗伦克•克劳兹领导的研究小组，在《自然》杂志上发表论文介绍说，他们最近首次测量到通过量子通道“逃离”原子的电子，而且发现每个电子“逃离”的速度极为惊人。
电子带负电荷，在带正电荷的原子核的吸引下，被束缚在原子内部。就经典物理学而言，如果电子没有在一段时间内获得足够的能量，它就无法“逃离”原子核的束缚。但量子力学可以提供另一种方法，电子可以直接通过量子通道逃脱出来。
量子通道在微观世界普遍存在，但这一现象迄今仍未被观测到，原因是原子在失去电子后迅速从外界环境又找回新的电子进行补充，其过程过于短暂。近年来光学研究的进步，为观测这一现象提供了有力工具。
克劳兹介绍说，光学研究已经迈进了阿秒（1阿秒为百亿亿分之一秒）领域。克劳兹研究小组用两种精心设计成同步的阿秒级激光脉冲：紫外线脉冲和红外线脉冲，同时用它们来攻击氖原子。紫外线脉冲通过提升电子能量，为电子“逃离”氖原子做好准备，但这一能量不足以使电子按照经典物理学描述的方式脱离原子。然后，研究人员在红外线脉冲中设计3个峰值，以抵消来自原子核的吸力，这就给电子提供了3个“逃离窗口”。不过，由于所选用的脉冲是阿秒级的，因此“逃离窗口”开启时间非常短暂，只有通过量子通道的电子，才有可能成功“逃离”。
结果发现，在这3个“逃离窗口”都能够测量到从原子“逃离”出来的自由电子，这就证明了单个电子可以在极短的时间内实现“逃离”，也进一步证明量子通道确实存在。
⑶首次发现带有1／4电荷的准粒子。
2008年6月，以色列魏茨曼科学研究院物理学家，首次证实了带有1/4电荷准粒子的存在。这一发现，也许意味着为制造出一种功能更强大、性能更稳定的异型量子计算机迈出了的第一步。
早在20年前，科学家就第一次预言了分数电荷，存在于量子霍尔效应环境中，魏茨曼科学研究院的研究小组十几年前也发现了分数电荷。虽然电子是不可分割的，但如果它们被限制在半导体内的二维层，冷却到绝对零度以上的一定温度，并暴露在与层相垂直的强磁场中时，它们就可以作为独立的粒子——准粒子来行动，这个准粒子带有的电荷比1个电子电荷要小。但到目前为止，科学家发现这些电荷数通常只为1个电子的奇数分之一，如1/3、1/5等。
为了发现这个1/4电荷准粒子，研究人员制作了世界上最纯净的半导体材料砷化镓，同时进行了特别精确的设置，使砷化镓具有独特的性能。研究人员调节二维层中的电子密度，把30亿个电子局限在1平方毫米的空间内，这样每2个磁通量就有5个电子。研究人员制作的设备，就像一个中间带有细腰的平底沙漏，这个细腰一次只允许少量的带电粒子通过。一些粒子通过、其他粒子反弹回来产生的“散粒噪声”引起了电流波动，这个电流和通过的电荷数成正比，由此研究人员就能准确地测量出准粒子的电荷数。
带有1/4电荷的准粒子行为，与那些带有奇数分之一电荷的准粒子十分不同，因而被科学家看作是“拓扑量子计算机”的理论基础。当电子、光子或是带有奇数分之一电荷的粒子，与另外一个粒子交换位置时，不会产生多大的整体效应。相比而言，1/4电荷准粒子的位置交换，可编织出一个能保留粒子历史信息的“辫子”。为对基于拓扑理论的量子计算机有用，这些1/4电荷粒子，必须表现出具有“非阿贝尔”特性，也就是编织的次序必须非常显著。要观察到这些微妙的特性是极其困难的。目前研究人员正在设计实验装置来测试这些特性。
⑷成功获得超大“波尔原子”。
2008年7月1日，《物理评论快报》网站报道，继丹麦著名物理学家尼尔斯•波尔，在近一个世纪前提出氢原子模型后，美国莱斯大学物理学和天文学教授巴里•邓宁领导的研究小组，成功地获得直径接近1毫米、与波尔的经典力学原子模型极其相似的超大原子。
1913年，波尔首次创立原子理论模型，他认为电子围绕着原子核进行圆周运动，如同行星环绕恒星飞行。波尔的模型引导人们更深入地认识原子的化学和光学特性，他本人也因此在1922年获得诺贝尔奖。然而，波尔模型中，关于电子在原子核周围分离轨道上，进行环绕运动的观点，最终被量子力学理论所取代，后者揭示电子并不具有精确的位置，而是呈现类似波动状态的分布。
现在，邓宁研究小组表示，在足够大的原子系统中，原子量级的量子效应，能够转变为波尔模型阐述的经典力学。研究人员利用处于高激发态的里德伯原子和一系列脉冲电磁场，通过操纵电子的运动，让电子出现像行星围绕恒星那样，在原子核周围进行圆周运动的状态。
实验中，研究人员首先使用激光器光波照射钾原子，让其处于高激发态。然后利用精细设计的一系列短电子脉冲，来诱导原子形成一个精确的稳定构造，这时点状“固定”电子，在远离原子核的轨道上绕核做圆周运动。研究人员表示，事实上这种状态的原子体积非常巨大，其直径接近1毫米。
测量显示，呈“固定”状态的电子，在多个轨道上，其行为同经典粒子所描述的十分类似。邓宁认为，他们的研究工作，无论是对未来计算机的开发，还是对经典和量子混沌学的研究，均具有潜在应用价值。
⑸探测到冷聚变中的高能中子。
2009年3月23日，《电子工程时报》网络版发布消息说，在当天举行的美国化学学会年度会议上，美国、意大利和日本等国的科学家宣布，他们已经在实验室证实了冷聚变。
冷聚变是指在相对低温（甚至常温）下进行的核聚变反应，这种情况是针对自然界已知存在的热核聚变（恒星内部热核反应）而提出的一种概念性“假设”。如果室温条件下的聚变反应能够实现商业化，我们就可以用海水中提取的重氢来生产丰富的核能。
1989年，科学家马丁·弗莱许曼和史坦利·庞斯提出了这一“假设”，接着，犹他州州立大学制定了一个全球计划来发展这项技术。弗莱许曼和庞斯宣称，他们在一个电解槽内获得了冷聚变，但其他科学家发现他们的实验无法重复。
冷聚变的理论假设是，当对氚核进行电解时，分子被融进氮气内，释放一个高能中子，科学家已经探测到了大量热量，然而没有人探测到释放出来的中子。
在会议上，美国圣地亚哥海军空间和海洋作战部队系统指挥中心的帕梅拉·莫希伯斯表示，问题在于测量仪器无法检测出这么少量的中子。为了感应这样小的质量，她使用了一个特定的塑料探测器CR-39。该探测器由镍和金的合金组成，将其插入一个氯化钯和氚的混合物中，这个探测器能捕捉和追踪高能中子。
该塑料探测器捕捉到了许多微小的距离很近的小坑，莫希伯斯说：“这是中子存在的确凿证据，证明室温下可以出现聚变反应。”
与会的其他研究人员也提交了冷聚变的证据：意大利国立核物理所的安东尼拉·尼洛说，他发现了大量的热量和氮气；日本北海道的研究人员称，他们也发现了大量的热量和伽马射线释放出来的证据。
目前，这些研究人员都在进行进一步的探索，希望能够更好地理解冷聚变过程，并尽快进行商业化应用的相关开发。
⑹发现兼具磁性和导电性的“超级原子”。
2009年6月，美国弗吉尼亚联邦大学物理系教授什夫·康纳博士领导研究小组，在《自然·化学》杂志网络版上发表研究成果称，他们发现了一种同时具有磁性和导电性的“超级原子”。这种含有1个钒原子和8个铯原子的原子簇十分稳定，将来可能被用于制造下一代计算机的分子电子器件。
研究小组，经过一系列的理论研究后，测定由多个铯原子围绕一个钒原子所组成的原子簇的电学和磁力学特性。结果发现，当铯原子数量达到8个时，原子簇变得十分稳定。这种“超级原子”有5个玻尔磁子的磁矩（磁矩是描述微观粒子磁性的物理量），是磁铁中铁原子的两倍多。康纳表示，锰原子也具有类似的磁矩，同样也具有可以紧紧束缚住电子的电子层，因此，“超级原子”可以被看成是一个模拟的锰原子。
康纳指出，铯是良好的导电体，因此，这种“超级原子”就具有了磁性和导电性两大物理特性。而同时具有磁性和导电特性的物质具有重要的应用价值，可能导致分子电子学领域的重大发展，有望广泛用于永久资料存储器、致密集成设备、高速数据处理器等产品设备的制造。
目前，康纳研究小组正在对由两个“超级原子”组成的分子，进行初步研究，并取得一些令人鼓舞的结果，有望应用于自旋电子学领域的研究。
此外，研究人员还指出，结合锰原子和金原子，可制造出另一种具有磁矩但不导电的“超级原子”。这样的“超级原子”可能在生物医学领域，如传感器、医学成像和药物释放等方面具有潜在的应用价值。
⑺发现有助于研制新量子机械的巨大里德伯分子。
2009年8月，美国俄克拉荷马大学物理系的詹姆斯·夏佛博士，以及该校物理系和天文学系研究人员组成的研究小组，在《自然·物理》杂志上发表的论文表明，他们发现了巨大的里德伯分子，其分子键的大小与红血球相当。由于里德伯原子是基于量子计算体系的原子的关键部分，因此确定里德伯分子如何相互作用非常重要。
巨大的里德伯分子，是在两个里德伯原子相互作用时形成的。里德伯原子是一个价电子，被激发到高量子态的高激发原子。其价电子距原子实（原子核和其余的电子）很远，能级结构类似于氢原子，俗称巨原子或胖原子。里德伯原子具有许多奇异的特性，如半径大、结合能小及寿命长等，因此被当做探针用来进行基础研究和多方面的应用。
两个里德伯原子距离极近时，可形成一个巨大的里德伯分子，这是因为电子环绕原子核的轨道运动所产生的波动、起伏可在另一个里德伯原子的位置生成一个电场，使两个里德伯原子发生相互吸引。而外加的电场可改变电子的运动轨迹，并引发两个里德伯原子间作用力的变化。这种通过电场改变电子运动轨迹的能力，正是控制分子属性的关键所在，诸如结合能量和振动频率等。通过附加电场使电子发生变化，并适应这些分子的属性，也是一种独特的性质。
里德伯分子的性质，使其成为探测量子气体、电磁场性质，以及里德伯分子间如何相互作用的理想候选。夏佛博士表示，新一代的量子机械装置，将基于微电子结构和材料科学的进展，并将独立原子体系的最佳性质予以融合。对于上述问题的理解，将引导学界离新一代量子装置的研制成功更近一步。
⑻首次在实验室获得排斥的极化子。
2012年5月24日，物理学家组织网报道，奥地利因斯布鲁克大学鲁道夫·格林姆教授领导的研究小组，首次在实验中借助超冷量子气体，成功获得并全面分析了新型准粒子：排斥的极化子，相关研究报告发表在同日出版的《自然》杂志网络版上。
超冷量子气体是一个理想的实验模型系统，可用来模拟处于凝聚态的物理现象。在这些气体中，多体态能够在高度控制的情境下获得，同时这也要求粒子之间的相互作用要高度协调。
此前，曾有研究人员涉及到吸引的极化子，但排斥的极化子却是首次获得。它将引领研究人员，走进一个全新的科研领域。
研究人员为了在实验中获得排斥的极化子，在真空室中生成由锂原子和钾原子组成的超冷量子气体。他们通过电磁场控制粒子的相互作用，并借助射频脉冲促使钾原子进入一种状态，使其排斥周围的锂原子。这种复杂的状态，在物理上被描述为准粒子，因为在很多方面，其表现得就像一个特性被修改的新粒子。通过分析该系统的全部能量谱，研究人员能证明排斥的极化子。格林姆教授说：“这一过程，不仅能获得和分析吸引的极化子，也能呈现排斥的极化子。”
这些处于凝聚态的准粒子衰变非常快，因此一般来说很难对其进行研究。但即使在量子气体中，呈现排斥的特性也有困难。极化子只存在于亚稳状态，它们的寿命对于研究其全部属性来说十分重要。研究小组惊讶地发现，与此前在类似系统中获取的极化子相比，他们所获得的极化子，寿命增长近乎10倍。因此，此次的实验设置，为详细分析依赖于排斥相互作用的多体态提供了理想的平台。
下一步，科学家将通过实验方式，研究是否只有锂原子或者钾原子积聚的独立域，是由排斥粒子组成的量子气体所创立。此前这曾在理论模型中被提出过，但还未在实验领域得到验证。
⑼在石墨烯表面激发出等离子体振子。
2012年6月21日，美国加州大学圣地亚哥分校，物理系教授迪米特里·巴索夫领导的研究小组，在《自然》杂志网络版上发表研究报告说，他们借助红外线光束，沿石墨烯表面激发出电子波，并证明他们能通过简单的电路，控制这些被称为等离子体振子的振荡波的长度和高度。
这是首次在石墨烯上观察到等离子体振子，也是在无法使用光的紧密空间内，利用等离子体振子进行信息处理的重要一步。就像光能够通过光纤携带复杂的信号一样，等离子体振子也能被用于传输信息。但等离子体振子仅能在更紧密的空间里携带信息。巴索夫说：“每个人都怀疑等离子体振子会不会出现，但眼见为实，我们拍摄的图像能够证明它们的传播，以及外界对其的控制。”
为了制造这套设备，研究人员从石墨中剥离出石墨烯，并把它放置在二氧化硅芯片上揉搓。随后把红外线激光照射在石墨烯表面以激发等离子体振子，并利用超灵敏的原子力显微镜悬臂对这些波进行测量。
虽然发射的波基本无法测量，但当它们到达石墨烯的边缘时，能够反射出像水波纹一样的波。从边缘返回的振荡将增加或抵消随后而来的波，创造出独特的干涉图样，从而揭示出这些波的波长和振幅。此外，科学家还能通过控制附着在石墨烯表面的电极以及芯片下的纯硅层形成的电路，来改变干涉图样。
研究人员表示，因为光的波长就有数百纳米，因此不可能将光限制在纳米级别内。但利用光却能激发长度范围在100纳米左右的表面等离子体，其能以超高的速度从芯片的一边穿越至另一边。科学家称，这是测量到的最短的等离子体振子波长之一，然而这种波却可以像它们在黄金等金属中传播得一样远。与基于金属的等离子体振子不同，石墨烯等离子体振子能够按需进行调整。
通过监控石墨烯等离子体振子，研究人员能够了解电子在这种新形式的碳中发挥什么作用，其基本相互作用又将如何管控它们的特性。巴索夫强调说：“石墨烯光电子学与信息处理非常具有前途，我们希望此次的研究能为未来相关技术的发展提供帮助。”
二、电子自旋研究的新成果
1．电子自旋研究的新发现
⑴发现电子自旋是高温超导现象发生的关键。
2005年12月，日本东北大学研究生院教授高桥隆领导的一个研究小组，在《自然·物理学》杂志上发表论文称，他们发现，在高温超导物质铜氧化物中，以电子自旋为媒介的力量决定物质是否容易产生超导现象。这为寻找更高温度下的超导体提供了线索。
在低温条件下，物质电阻突然消失的现象被称为超导现象，转变温度被称为临界温度。高温超导体一般指临界温度在零下196℃以上的物质。目前集，主流的高温超导物质为铜氧化物。
在超导体中，原本应该相互排斥的两个电子，会组成电子对。这些电子对，可以平稳地通过由失去部分电子的原子所组成的通道，而不引起原子振动，即出现超导现象。在高温超导物质中，促使电子组成电子对的力量究竟是怎么产生的？学术界长期以来存在两种观点：传统观点认为，这与原子振动有关；而新观点认为，电子自旋在其中扮演了重要的角色。
所谓电子自旋，是指电子绕原子核转动的同时自身也在旋转，就像地球一边绕太阳公转一边自转一样。日本研究小组发现，以电子自旋为媒介的磁力，是电子对组成的关键。
研究人员准备了3种实验材料，一种是铜氧化物，另两种是分别在铜氧化物中添加锌和镍后形成的。锌和镍对原子振动几乎不产生影响，而它们的电子自旋状态与铜不同。将3种实验材料，放入光电子分光设备，用高能量紫外线照射这些材料，测定从实验材料中飞出的电子的能量状态。结果证实，添加了锌和镍的两种铜氧化物，由于以电子自旋为媒介的磁力被削弱，电子对就不能形成，影响材料的超导性能。
⑵观察到电子分裂为自旋子和轨道子。
2012年4月，一个由瑞士保罗·谢尔研究所托斯登·施密特负责实验部分，由德国德累斯顿固体和材料研究所杰罗恩·范德·布林克负责理论部分的国际研究小组，在《自然》网络版上发表研究成果称，他们通过实验发现，一个电子分裂成两个独立的准粒子：自旋子（spinon）和轨道子（orbiton）。
以往，人们认为，电子是一种基本粒子，无法分裂为更小部分。20世纪80年代，物理学家预言，电子以原子的一维链形式存在，可以分裂成3个准粒子：空穴子携带电子电荷，自旋子携带旋转属性（一种与磁性有关的内在量子性质），轨道子携带轨道位。1996年，物理学家将电子空穴和自旋子分开，自旋和轨道这两种性质伴随着每一个电子。
然而，新实验观察到这两种性质分开了——电子衰变为两个不同部分，各自携带电子的部分属性：一个是自旋子，具有电子的旋转属性；另一个是轨道子，具有电子绕核运动的属性，但这些新粒子都无法离开它们的物质材料。
研究人员用瑞士光源的X射线，对一种叫做Sr2CuO3的锶铜氧化物进行照射，让其中铜原子的电子跃迁到高能轨道，相应电子绕核运动的速度也就越高。他们发现，电子被X射线激发后分裂为两部分：一个是轨道子，产生轨道能量；另一个是自旋子，携带电子的自旋性及其他性质。Sr2CuO3有着特殊性质，材料中的粒子会被限制只能以一个方向运动，向前或向后。通过比较X射线照射材料前后的能量与动量的变换，可以追踪分析新生粒子的性质。
施密特说，这些实验不仅需要很强的X射线，把能量收缩在极狭窄范围，才能对铜原子的电子产生影响，还要有极高精度的X射线探测仪。
布林克说，这是首次观察到，电子分成独立的自旋子和轨道子。现在我们知道了怎样找到它们。下一步是同时产生出空穴子、自旋子和轨道子来。在材料中，这些准粒子能以不同的速度、完全不同的方向运动。这是因为它们被限制在材料中时，性质就像波。当被激发时，波分裂为多个，每个携带电子的不同特征，但它们不能在材料以外独立存在。
观察到电子分裂，将对一些前沿领域产生重要影响，如高温超导和量子计算机。Sr2CuO3中的电子和铜基超导材料中的电子，有着相似的性质，该研究为高温超导研究提供了一条新途径。此外，研究轨道子有助于开发量子计算机。
英国牛津大学物理学家安德鲁·波斯罗伊德说，同时用自旋子和轨道子来编码和操控信息，这可能是未来发展的方向。量子计算机的一个主要障碍，是量子效应会在完成计算之前被破坏。而轨道子的跃迁速度只要几飞秒，这样的速度，为制造现实量子计算机带来了更多机会。
2．电子自旋的利用和操控
⑴利用电子自旋方法设计出新型微波激射器。
2006年9月，国外媒体报道，大多数激光都是红外线或是在可见光波长范围内的，但是1954年研制出的第一束激光，实际上是一个微波激射器发出来的——它使用的是微波。近日，荷兰一个大学的教授史蒂文·瓦特，利用电子自旋的方法，提出一种微波激射器设计的新思路。它用一种简单的方法，把激射器收缩到微电子级，是一项通过电子自旋来改进电子学的新对策。
常规的电子学，是利用电子电荷形成信息二进制形式的编码“开”“关”状态，并以此表示“0”和“1”，这与计算机的编程很相似。电子自旋，换种说法，就是基于电子的磁场，即自旋的排列方式，“上”或“下”，都和磁场有关。
瓦特说，现在还是没有设计出一个真正的电子自旋仪器。在芯片上的微波放大器是十分普遍的，这跟微波激射器相关。但是，微波激射器是自我维持的一种仪器。
瓦特和他的同事们，提出一种新型的微波激射器，像三明治结构，顶部有像铁一样的磁材料，底部有像铝一样的顺磁材料，有一薄层电子绝缘体夹在它们中间。一个向下的磁场能产生两个电子能级：自旋的基态是向下的，激发态是向上的。电子能通过微波辐射被激发到一个高能量上自旋态。
⑵利用电场控制电子自旋。
2007年11月1日，荷兰代夫特技术大学纳米科学研究所列文·德斯潘博士负责，基本物质研究基金会研究人员参与的研究小组，在美国科学促进会《科学快报》网站上发表成果称，他们利用电场成功地控制了单个电子的自旋。这项研究，为未来开发超快速量子计算机奠定了基础。
研究人员表示，用电场控制电子自旋，初看起来令人感到惊讶，然而从相对论中不难发现，一个运动的电子能够“探测”到一个电场，这与电子在磁场中的情况相类似。基于此原理，他们迫使单个电子穿过快速变化的电场，并发现这种方法能够控制电子的自旋。
控制单个电子自旋十分重要，它是未来量子计算机的基石。电子不仅带有电荷，而且由于自旋的原因还是一个微小磁体。在磁场中，自旋方向可以同磁场相同或相反，但是根据量子力学原理，自旋的两种状态可以同时存在，其结果是，电子自旋可以成为量子计算机极有希望的基础。
同利用磁场控制电子自旋的方法相比，电场控制电子自旋的优势在于人们能容易地产生电场。同时，利用电场，人们还可以更方便地独立控制不同电子的自旋，这是量子计算机所必须的条件。德斯潘博士表示，接下来的工作，是将技术手段用于多个电子的研究。
⑶首次在室温下实现电子自旋极化。
2009年11月，荷兰特文特大学的一个研究小组，在《自然》杂志上报告说，他们首次在室温下的半导体硅材料中，使电子自旋极化状态得以实现，这将有助于研发新一代计算机。
计算机的发展，离不开对电子带有电荷这一性质的操控，而电子的另一性质自旋，则长期未得到开发利用。
现在，荷兰研究小组根据自旋轴相对于周围磁场的指向，电子自旋具有向上和向下两个状态，如果能在计算机中用这两种状态来代表0和1，那么将可开发出新一代基于电子自旋的计算机。但在此前的研究中，自旋极化状态只有在零下100多摄氏度的低温下，才能在计算机常用的半导体硅材料中持续存在。
荷兰研究人员报告说，他们在实验中发现，只要在半导体硅片和磁性材料之间插入厚度不到1纳米的氧化铝薄膜，再施加一个电场，那么自旋极化的电子，就会从磁性材料向硅片移动，氧化铝薄膜会起到过滤器的作用，只有某个特定自旋状态的电子能够通过，从而在室温下使有序的电子自旋极化状态体现在硅片中。
三、微观粒子机理研究的新进展
1．微观粒子性质和功能研究的新成果
⑴推进冷原子中量子存储和波动研究。
2009年8月，美国麻省理工学院一个研究小组，在《物理评论快报》上发表的论文显示，他们在冷原子中量子存储和波动研究领域有了新突破，而这方面的技术正是设计量子信息网络的关键，这使研究向未来广域量子通信网络的最终实现，又迈出重要一步。
量子网络的世界，难以用三言两语来描述。量子是一个态，而不是具体的物理量，在量子力学中，量子信息是关于量子系统“状态”所带有的物理信息，是通过量子系统的各种相关特性进行计算、编码和信息传输的全新信息方式。其最常见的单位是量子比特，也就是一个有二状态的量子系统。然而不同于经典数位状态，二状态量子系统实际上可以在任何时间表现为这两个状态的叠加态。
在这种基础上建立的量子网络，其量子态存储设备与量子信息处理设备是紧密相连的。量子网络中，每个节点由磁光阱制备的冷原子系综组成，这些原子系综就是量子存储器，而每个原子系综，跟它自己发出的一个光子，形成一个最大纠缠态。在任意两个相邻节点之间，通过对其各自发出的光子之间做联合贝尔测量，就可以把相邻的两个原子系综纠缠起来。这也就是量子网络中量子中继器的原理。
现在，麻省理工学院的研究小组，已明确如何在冷原子气体中成功存储光，他们在实验中首先使该原子系综存储器，可以得到一个光子的任意偏振态传入，成功存储量子比特，随后再生出另一个具有相同偏振态的光子。这时信号只表示脉冲已被“俘获”的事实，而非偏振态细节，量子信息因此得以安全保存。
研究人员表示，其成果可用于制造量子中继器，并最终效力于量子网络的构建。而这种潜力一旦应用于扩展量子网络，就会成为判断网络操作是否成功的关键，使量子网络的世界进一步清晰。
⑵“称”出三个最轻夸克的质量。
2010年5月，美国康奈尔大学文理学院院长彼得·勒佩吉领导的一个研究小组，在《物理评论快报》上报告研究成果称，他们以超细微的误差幅度，成功计算出三个最轻的夸克：上夸克、下夸克和奇异夸克的质量。此项研究，把夸克质量的误差幅度从10～20倍降低到了百分之几。
有科学家认为，所有的亚原子粒子都由三个夸克组成，夸克是组成质子和中子的基本粒子。质子由两个上夸克和一个下夸克组成；中子由两个下夸克和一个上夸克组成。夸克本身“体态轻盈”，非常难以“捉摸”。
100多年前，科学家就知道了质子的质量，但是要获取质子内的单个夸克的质量，一直是困扰科学界的一个难题。夸克存在于与其他夸克、反夸克以及胶子等粒子组成的“夸克汤”中，经由强作用力混杂在一起，由于它们之间的作用力太过强大，以至于科学家很难将夸克隔离开来单独研究。
勒佩吉解释说，为了确定夸克的质量，首先必须充分了解它们之间的强作用力。研究人员利用大型超级计算机来解决这个问题。超级计算机，使科学家得以模拟，质子等基本粒子中的夸克和胶子的“言行举止”。
勒佩吉表示，夸克之间的质量差异大得惊人。最轻的是上夸克，其质量只有一个质子的1/470；最重的是顶夸克，其质量是质子的180倍，与整个铅原子的质量差不多。
勒佩吉研究小组，最终成功计算出三个最轻的，也因而最难捉摸的夸克的质量。上夸克的质量约为2兆电子伏（MeV，能量单位）；下夸克的质量约为4.8兆电子伏；奇异夸克的质量约为92兆电子伏。
勒佩吉称，它们的质量为什么会有如此大的差别，目前依然是理论物理学面临的巨大难题之一。事实上，连夸克为什么有质量也还是个未解之谜，或许欧洲大型强子对撞机可以告诉人们答案。
⑶首次由粒子把信息转化为能量。
2010年11月15日，日本研究人员在《自然·物理学》网络版上发表研究报告称，他们在实验室中，让一个纳米小球沿电场制造的“阶梯”向上爬动，爬动所需的能量，由该粒子在任何给定时间朝哪个方向运动，这一信息转化而来。
这项成果，意味着科学家首次在实验室实现信息到能量的转化，验证了约150年前英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出的“麦克斯韦妖”这一设想。
⑷发现暗等离子体振子可在微米尺度传输能量。
2012年2月，美国莱斯大学化学和电气系副教授斯蒂芬·林克等人组成的研究小组，在《纳米快报》杂志上发表论文称，他们发现黄金纳米粒子的微观通道，可通过暗等离子体振子传输电磁能量，而微米尺度的高效能量传输，或将大幅提升光电设备的效能。
研究小组开发出一种在玻璃上“打印”，产生黄金纳米粒子细线的方式。这些纳米粒子线，能从一个纳米粒子把信号传给几微米外的另一个纳米粒子。传输间距远高于此前的实验成果，效果与使用黄金纳米线进行传输大致相当。
研究人员利用电子束把微小的通道切割成玻璃基板上的聚合物，以让纳米粒子线成形。黄金纳米粒子通过毛细作用力沉积在通道内，当剩余的聚合物和杂散的纳米粒子被冲走后，纳米粒子线形成，粒子则留在距离纳米线几纳米之外。这些粒子都聚集于拥挤不堪的线型链中。较小的粒子间距能产生强劲的电磁耦合，引发低损耗“亚辐射”等离子体振子的形成，这可促进能量传播的距离达数微米。
等离子体振子是一种可在金属表面移动的电子波，就像池塘中的水被干扰时一样。这种干扰可由光等外部的电磁源引起，相邻的纳米粒子将在电磁场互相作用的位置相互耦合，支持信号从一个粒子传输至下一个粒子。而暗等离子体振子没有纯粹的偶极矩，因此其无法与光结合。
为了验证究竟能传输多远，研究小组为15微米长的粒子线涂上了荧光染料，并利用光漂白的方法，来测量由激光所激发的等离子体振子的传输距离。结果显示，等离子体振子的传播能量，随距离增加呈指数递减。在传输4微米后，所测的强度值仅为最初的1/3。虽然这样的传输距离仍比传统的光波导短，但在微型电路内只需要覆盖较小的长度尺度。未来或可将放大器应用于系统之中，以增加传输距离。
林克表示，银纳米线具有比黄金更好的等离子体振子波运载功能，传输长度可达15微米。如果未来以银纳米粒子进行实验，则可应用于更复杂的结构，或是利用纳米粒子波导与其他纳米结构部件连接。
2．微观粒子运行过程研究的新发现
⑴刷新单一元素超导临界温度纪录。
2006年8月，《日经产业新闻》报道，日本大阪大学教授清水克哉领导的研究小组，成功使钙在零下248℃的条件下出现超导现象，刷新单一元素超导临界温度的最高纪录。此前，锂以零下253℃的超导临界温度，保持着这一“高温”冠军称号。
研究人员介绍说，把钙夹在钻石中间，并向其施加压力，然后通过安装在钻石上的电极测量电阻，分析钙电阻的变化。结果发现，当压力超过300亿帕斯卡时，电阻开始急剧变化。当压力增加到1610亿帕斯卡时，钙在约零下248℃的条件下出现了超导现象。
物质在一定温度条件下，电阻突然消失的现象，被称为超导现象，转变温度被称为临界温度。许多物质在压力和温度达到合适条件时，都会转变为超导体，但仅依靠增加压力通常很难提高超导临界温度。日本研究人员推测，此次钙在较“高”温度下出现超导现象，很可能是因为其形成了特殊的晶体构造。
接下来，研究人员打算深入分析，各种物质出现超导现象时的晶体构造和电子状态等，以找到更多使物质转变为超导体的条件。
⑵成功观测到“放牧”原子现象。
2006年12月，有关媒体报道说，如果把一种原子放到特殊环境中，并用其他原子把它们围起来，那么“围栏”内的原子将按一定顺序分布，这被称为“放牧”原子。俄罗斯科学院微结构物理研究所，通过观察铜基底上用钴原子组成的椭圆围栏中电子的分布过程，成功观察到这一现象。有关专家指出，这是微结构物理学领域的一个重要发现。
多年来，研究人员为了使电子在某些金属的表面呈有序分布，利用把原子沉积在金属表面实现原子的有序分布而达到目的。而要使原子在金属表面成有序分布，就需要在一定的基底材料表面生长金属薄膜。通常情况下，沉积在金属表面的原子被称为吸附原子，在沉积过程中它们不能形成晶格，原子的分布也呈无序状。
通过观察铜基底上用钴原子组成的椭圆围栏中电子的分布过程，俄研究人员发现，在一定的条件下，吸附原子能够进行有序排列。
在实验中，研究人员把另外的钴原子沉积在椭圆围栏表面，发现这些吸附原子既与用于围栏的原子发生作用，也与电子发生相互作用。在-263～-253℃的温度下，不均匀分布的电子能量发生了偏离，形成了像围栏一样的椭圆分布。由于电子能量发生的这种现象，吸附原子在沉积的过程中，向电子多的区域沉积，这就意味实现了原子在金属表面的有序分布，并且吸附原子是自动排列与分布的。
据悉，研究人员在铈原子的实验中，也成功地观察到上述现象。有关专家指出，利用该研究成果，可以研制能够在金属表面实现原子自动排列的薄膜，而这种薄膜将在微电子工业中得到广泛运用。
⑶首次测量到渺秒级电子运动。
2007年11月，德国慕尼黑加尔欣马普量子光学研究所领导，奥地利、美国、匈牙利和西班牙等国研究人员参加的一个研究小组，在《自然》科学杂志上发表研究成果称，他们首次成功地在晶体中测到了渺秒级速度的电子运动，这一成果对未来开发超高速电子开关具有重要意义。
该小组一直在研究电子在固体中的运动规律和特征，为未来开发光量子计算机奠定基础。现代电子理论，是基于通过纳米开关线路来控制电子运动的。开发功能更强、速度更快的计算机，以及各种在医学和航空航天领域中应用的敏感仪器，需要有速度更快的纳米电子线路开关。开关的速度受限于电流中电子的运动，通常电子线路开关的结构越小，能达到的开关速度就越高，相应通过的信息流量密度也就越大，因此专家在研制电子线路开关时都追求越来越小。
科学家猜测，在固体晶格或一个分子中，相邻两个原子之间的距离是通过电流传递信息最短的距离，原子上的电子，克服这个距离所需要的时间估计在渺秒级（1渺秒等于10的负18次方秒）。德国马普量子光学研究所的研究小组，正是在这一点上实时测得了电子在固体原子结构中的运动。
研究小组利用一束持续300渺秒的脉冲远紫外线，以及一束红外线脉冲来控制一块钨晶体表面的电磁场，渺秒级激光脉冲射入晶体，部分光粒子转变成电子，起到电流的作用，并作为引导电子激发晶体原子的附带电子。然后，两种电子以不同速度从原子层底部到达晶体表面，引导电子的速度比被激发的电子速度更快。当电子到达表面时，通过与激光脉冲电磁场最初速度的核对，可以验证电子在晶体中运动随时间的变化，利用超高速激光电磁场，还可以控制电子的运动速度。
⑷首次观察到磁振子拖曳。
2011年12月18日，西班牙卡特兰纳米技术研究院的研究小组，《自然·材料学》网络版上发表论文称，他们在一项最新发现中，首次观察到了磁振子拖曳。这一发现，结束了科学家50年来追寻独立热电效应的历程，对研究能量转化应用、开发自旋信息传输新途径也具有重要意义。
热电效应能帮助人们在纳米尺度管理热量，利用热量流动来操控自旋信息。随着信息技术的发展，自旋电子学中的热电效应，越来越受到人们关注。20世纪50年代，首次发现热电效应，在固体中，当电子经过原子，其电荷就会改变附近的晶格结构，产生波动；反过来，晶格波动也会影响电子运动，就像海浪推动一个冲浪运动员在滑行。这种相互作用导致的热电效应，其实是一种声子拖曳效应。此后不久，科学家预言在磁性材料中也存在类似现象：磁振子拖曳。
在铁磁体中，自旋保持着平行的方向。如果发生了紊乱，就会产生自旋波影响电子运动，因此磁振子流（自旋波量子）也会拖动电子。研究人员解释说，尽管这和声子拖曳很相似，但要观察磁振子拖曳却非常困难。主要原因是声子拖曳太显著，把磁振子拖曳和声子拖曳区别开非常困难。多年来，科学家只报道过一些间接证据。
为此，研究人员设计了一种特殊设备来分开磁振子拖曳和其他热电效应。这种设备类似一种温差电堆，在冷热源之间以热并联电串连的方式，排布大量成对的铁磁线，通过控制成对铁磁线中的磁方向，来分离电子和声子拖曳的热电效应，独立研究磁振子拖曳。
论文指出，检测结果作为温度的函数，显示出磁振子拖曳效应，服从磁振子和声子总体变化。这一信息，对理解电子—磁振子相互作用、磁振子动力学和热自旋传输的物理机制非常关键。
⑸首次观察到超导体中重电子的形成过程。
2012年6月，美国普林斯顿大学物理学教授阿里·雅兹达尼领导，洛斯阿拉莫斯国家实验室和加州大学欧文分校研究人员参与的一个研究小组，在《自然》杂志上发表论文称，他们通过直接拍摄的电子波图像，不仅看到了电子质量是怎样增加的，还看到了重电子是由两个纠缠电子构成的复合体。
在某些超导体中，运动电子的性质极为奇特。它们好像比真空中的自由电子重1000倍，但同时电子运动却是毫无阻力的。该研究小组的研究显示，产生这种现象是由于“量子纠缠”的过程，该过程决定了晶体中运动电子的质量。这一发现有助于人们理解超导性的成因，并有望在提高电网效率、加快计算速度等方面获得应用。
把电子冷却到超低温形成某种固体物质时，这些极轻的粒子就会增加质量，好像变成了重粒。把它们冷却到接近绝对零度时，这种固体就有了超导性。其中的电子尽管很重，却能毫无阻力地流动，不会浪费任何电能。
研究小组利用专门设计的低温扫描隧道显微镜拍摄晶体中的电子波。晶体经过了处理，表面包含一些原子瑕疵。他们将温度降低到实验需要，观察到了电子波纹，这些波纹围绕着瑕疵之处扩散开来，就像在池塘里投入石头散开的涟漪。
雅兹达尼说：“这是首次获得重电子形成的精确画面。在降低温度时，我们看到晶体中的运动电子演变成了更重的粒子。”
研究人员还把实验观察和理论计算数据进行了对比，解释了电子为何会出现这种性质。由于量子纠缠，电子糅合两种截然相反的行为。在晶体中，重电子产生于两个行为相反的电子的纠缠，其中一个被困住绕着一个原子，而另一个在各个原子之间自由地跳跃。
研究人员解释说，量子力学原理控制着微小粒子的行为，形成了量子纠缠，这一过程决定晶体中运动电子的质量。轻微调整这种纠缠，就能极大地改变材料的性质。而纠缠度是决定重电子形成和进一步冷却时行为表现的关键。调整晶体的成分或结构，就能调整纠缠度和电子重量。如果让电子太重，它们就会被冻成磁化状态，黏在每个原子旁边，以相同的方向自旋。但如果只是轻微调整，让电子获得合适的纠缠数量，这些重电子就会在冷却时变成超导体。
雅兹达尼指出：“我们的研究证明了，只有当处在‘迟缓’和‘迅速’这两种行为的边界时，才能获得超导性。这是最有利于产生重电子超导性的条件。”。
四、微观粒子研究设备的运用与创新
1．运用大型强子对撞机研究微观粒子
⑴大型强子对撞机圆满完成试运行。
2009年12月18日，欧洲核子研究中心理事会宣布，欧洲大型强子对撞机，圆满完成第一阶段试运行而暂时停机。在进行短期技术维护后，它将再次启动，进行更高能量的质子束流对撞并开始主要的研究计划。
欧洲大型强子对撞机于11月20日重新启动，注入对撞机的两束束流分别贯穿了整个27公里的束流轨道，23日实现首次对撞，30日创下束流能级1.18万亿电子伏特的世界纪录。此后，相关人员对对撞机进行了系统调试，并收集试验数据。试运行的最后两周，大型强子对撞机上安装的探测器，记录了100多万次粒子对撞。对撞数据，已通过对撞机网格计算系统，分散到世界各地进行分析。
欧洲核子研究中心理事会主席托尔斯滕·奥克松说，理事会对大型强子对撞机，试运行的情况非常满意。迄今确定的目标均已实现，这表明中心制定的逐步实施方案完全正确。
据介绍，为今后实现更高能量束流的对撞，需要使对撞机上新的磁铁防护系统达到更高要求，以进一步增强大型强子对撞机数千根磁铁的磁场强度。在此次停机期间，相关人员将对对撞机在更高能量（3.5万亿电子伏特）水平上运行进行调试，对相关设备和防护系统软件进行必要维护，并为CMS大型探测器更换部分水冷系统。
2008年9月10日，欧洲大型强子对撞机正式启动。9月19日，对撞机在隧道第三段至第四段，尝试进行5万亿电子伏特质子束流运行时，因两块磁铁之间的电连接部件，在强电流通过时熔化，导致氦泄漏，对撞机被迫停止运作。欧洲核子研究中心用了一年多时间，对其进行修理和加固。
欧洲大型强子对撞机，位于日内瓦附近、瑞士和法国交界地区地下100米深处、总长约27公里的环形隧道内，它将为科研人员研究宇宙起源和各种基本粒子特性，提供强有力的支持。大型强子对撞机从上世纪90年代初开始设计，来自80多个国家和地区的约7000名科学家和工程师参与建设。
⑵大型强子对撞机完成每秒万次粒子对撞。
2010年6月30日，欧洲大型强子对撞机，再次向新的世界纪录发起冲击。上周末，大型强子对撞机完成了每秒1万次的粒子对撞实验，创造了对撞质子数的新世界纪录。物理学家相信，这将是大型强子对撞机迈向物理学新领域的坚实一步。
2009年11月，大型强子对撞机实现首次质子对撞，开始了寻找被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子之旅。目前，大型强子对撞机，仍然以最高设计功率一半的能量运行。但是从上周末以后，运行于环形隧道中的每束粒子束中的粒子数量，将达到物理学家所计划的数量。
研究者表示，“碰撞它们，就好像让两只垃圾桶相碰撞，然后就可以看到胡萝卜从中飞出来。我们实现的对撞实验越多，就越接近超对称性、暗物质、希格斯玻色子以及其他类型的物理学新领域。”
⑶大型强子对撞机撞出新粒子。
2011年12月23日，《每日邮报》报道，参与大型强子对撞机探测实验的研究人员，对大型强子对撞机进行的数万亿次高能对撞，收集到的数据进行分析后证实，他们捕捉到一种全新的粒子Chi_b(3P)。物理学家们多年前就认为宇宙间可能存在这种粒子，但一直没有发现它。
研究人员扫描大型强子对撞机的探测器收集到的，由高能对撞产生的碎片所发出的“非比寻常的信号”，并对数据进行了认真分析，证实了这种新粒子确为Chi_b(3P)。这是自2009年大型强子对撞机启动以来，首次发现一种全新的粒子，也是首个被证实的发现。
美国曼彻斯特大学的粒子物理学家索德纳·兰波德表示，尽管发现的并非希格斯玻色子，但最新发现仍然令人兴奋。索德纳·兰波德接受《每日邮报》采访时解释道，新发现的这种粒子，由一个底夸克和一个反底夸克组成。夸克本身无法被看到，它们包含于粒子中并被强力“绑”在一起，新发现证实了让粒子紧紧粘在一起的强相互作用理论的正确性，该理论也描述了原子核如何紧紧地粘在一起。如果科学家们能通过最新粒子理解强力如何起作用，那么，就能预测宇宙间到底存在着哪种粒子。
索德纳·兰波德说：“另外，利用所有这些不同的夸克，研究人员可采用不同的方法让它们相互结合，并形成新的与质子一样的粒子，这些粒子接着能结合在一起形成元素。”。
研究人员认为，发现Chi_b(3P)粒子，为人们寻找希格斯玻色子提供了关键的背景知识。希格斯玻色子被认为是建造宇宙的基本模块，是描述粒子和力相互作用的“标准模型”理论中，最后一种尚未发现的粒子。研究人员认为，它可以解释为何宇宙万物拥有质量。大型强子对撞机的设计宗旨，就是帮助科学家寻找到希格斯玻色子，并创建新的“物理学体系”。
⑷大型强子对撞机完成阶段质子对撞。
2012年12月17日， 欧洲核子研究中心宣布，大型强子对撞机，圆满完成历时3年的第一阶段质子对撞运行后，于当天停机。在此次运行的最后几天里，对撞机创下质子束流强度方面的新纪录。
欧洲核子研究中心加速器主任史蒂夫·迈尔斯说，这个结果，对将于2015年开始的，下个质子对撞计划来说是好兆头，因为束流强度对大型强子对撞机项目的成功来说，至关重要。束流强度越大，对撞数量越多，获得新发现的机会越大。
大型强子对撞机中的质子对撞，是引导两束质子流对撞，每束质子流不是连续的，而是由成百上千个质子包组成，每个质子包长度为几十厘米，其中含有上千亿个质子。最近几天，质子包之间的间隔从50纳秒，缩短至25纳秒（1纳秒等于10亿分之一秒）。这个间隔缩短一半意味着质子包的数量增加一倍，质子束流的强度也因此大为增强。
上周末，实验人员在每束束流中获得的质子包数量创下新纪录，达到2748个，比原有纪录增加了一倍。
2008年9月，经过十几年的建造，欧洲核子研究中心大型强子对撞机正式启动。通过质子束流对撞，大型强子对撞机可望创造出类似宇宙大爆炸后万亿分之一秒时状态的条件，为科学家研究宇宙起源和寻找新粒子提供强有力支持。自启动以来，这个“世界上最大的机器”，多次创下质子束流能量新纪录，为发现“上帝粒子”的存在证据提供了可能。
2．发明研究微观粒子的新设备
⑴发明桌面大小的粒子加速器。
2006年12月5日，法国ENSTA/CNRS实验室的杰罗姆·福雷和维克多·马尔卡领导的一个研究小组，在《自然》杂志上发表研究结果称，他们通过把电子注入到用一个强激光制造出的等离子波中，发明了一个桌面大小的粒子加速器。
福雷说，一般的粒子加速器至少要有几个房间的大小，与此不同的是，我们发明的粒子加速器只有一个桌面大小，它是建立在对氦离子化形成能够承载电子的等离子波的基础上的。这样，电子就好像波涛上的冲浪者，随着等离子波移动。
这个小组的工作，主要是改进了技术，使以前不稳定的、高度变化的电子束，变得稳定而受控。其中的奥秘是，他们像弹弓一样使用另一个脉冲激光，把电子弹射到等离子波中。
离子加速器一般用在深层物理学中，是人们理解物质本质的工具，它同时还有医疗用途，比如能够通过放射线疗法杀死癌细胞。
福雷表示，这项工作仍然处于婴儿期，只能够加速电子而不能对其他放射线治疗中使用的粒子进行加速。他说，这项技术的早期应用，可以为放射线治疗提供很短的加速粒子脉冲，还可以用来穿透合金表面，检查如飞机起落架等金属装置的金属疲劳。
⑵研制出可控制量子比特自旋的“混血”纳米设备。
2010年7月1日，美国马里兰大学纳米中心，物理学家欧阳敏教授领导的研究小组，在《自然》杂志上发表研究成果称，他们自主研制成的金属与半导体“混血”的独特纳米设备，可以控制量子比特自旋。
研究人员用自己研制的设备，演示了一种新的光和物质的相互作用，且在仅为几纳米的胶体纳米结构中，首次实现对量子比特自旋进行完全的量子控制，这些新进展，朝着制造出量子计算机，迈开更加关键的一步。
研究人员表示，这项新发现，有利于加快研制与量子计算和能源生产有关的纳米设备。比如，研发出更高效的光伏电池，或促进诸如生物标志物等其他基于光与物质相互作用的技术的发展。实际上，该研究小组已经开始使用这种技术，来研发新的、转化效率更高的光伏电池。
欧阳敏小组使用化学热力学方法，在溶液中制造出一系列不同的“混血”组合物，每一个组合物都有一个单晶半导体壳，里面包裹着金属。在最新的研究中，研究人员使用这些金属/半导体“混血”而成的纳米设备，在实验室中演示一个等离子（金属发出的）和一个应激子（半导体壳发出的）之间的“可调共振耦合”。结果，这种耦合加强了光学斯塔克效应，因此，有望通过光来控制量子状态。60多年前，科学家研究光和原子之间的相互作用时，发现了光学斯塔克效应，该效应表明，可以用光来改变原子的量子状态。
美国国家标准与技术研究院原子物理分部的加尼特·布莱恩表示，过去的几年中，很多研究人员正在研究金属和半导体组成的异种纳米设备，并使用这种纳米设备作为“纳米天线”与半导体纳米设备，以及光发射器内外的光，进行更有效的耦合。
布莱恩表示，欧阳敏领导的这项研究表明，金属纳米天线周围环绕着半导体外壳这样的纳米设备能够完成同样的目标，而且，这样的结构简单易制造，应用范围也很广。最重要的是，科学家能够通过操纵这种光和物质的耦合，对半导体纳米发射器进行相干量子控制，而量子信息的处理过程中必须实施这种控制。
欧阳敏小组认为，使用其研发出的晶体与金属“混血”纳米设备，他们能够完成这种相干量子控制。而且，新纳米设备也对晶体外延生长大有裨益。晶体外延生长，一直是制造单晶半导体和相关设备的主要方式。新方法可避免，限制晶体外延生长的两个关键因素：沉积半导体层的厚度和晶格匹配。
马里兰大学的科学家指出，新方法除了增强其“混血”纳米结构的能力外，并不需要传统的晶体外延生长所需的洁净室，也不需要在真空中才能产生的物质，因而有利于大规模生产。
⑶合成出捕获纳米离子的分子笼。
2011年12月，最近，美国纽约大学布法罗分校化学副教授加维德·瑞耶夫领导的研究小组，在《美国化学协会会刊》上发表论文称，他们合成出一种能捕获纳米离子的微小分子笼，可用于提纯纳米材料。
分子笼由微小的有机分子管道组成。这种名为“瓶刷分子”的有机分子内部，用特殊方法做成中空，并使其内壁带上负电荷，以有选择性地吞掉那些带正电的粒子。分子笼还能做成不同大小，以捕捉不同大小的分子猎物。
瓶刷分子就像一个圆形的发刷，沿主干周围伸出许多毛发似的分子。研究人员把这些“瓶刷”缝在一起，再把分子浸入水中使其变成中空，围绕核心黏附上一层带负电的羧酸基，就成了陷阱式的笼子结构，即内壁带有负电的纳米管。
他们还设计出一系列实验，来测试这种笼子的捕获能力。其中一种双层笼被称为鸡尾酒瓶，底层由含纳米管的氯仿溶液构成，顶层由含带正电荷染料的水基溶液构成。将这种鸡尾酒摇5分钟，纳米管互相碰撞陷落在染料中，从而将染料带入氯仿溶液中（染料不会溶解在氯仿中）。另一种精心制作的纳米管笼，能从水溶液中提取直径仅2.8纳米、带正电的树状聚合物分子，而将4.3纳米的树状聚合物分子留在溶液中。要想从纳米管中释放出捕获的粒子，只需简单地降低氯仿溶液的pH值，就会关闭笼子内部的负电荷，释放出其中的粒子。
研究人员指出，这些笼子能使单调乏味的工作加快速度，比如把大量子点从小量子点中分离，或按尺寸和电荷分离不同的蛋白质。
瑞耶夫说：“分子及纳米材料的形状和大小，与它们的用途密切相关。我们的分子笼，能按事先确定的规格尺寸，把这些粒子分离开，能为那些先进材料生产统一的原材料，就像为建筑商生产同样大小的瓷砖或砖块。研究人员也需要同样规格的纳米粒子，但在纳米尺度上要生产出完全一样的性能良好的材料，还有很长的路要走。”
此外，瑞耶夫小组还在研究瓶刷分子的更多应用，如以瓶刷分子为基材的纳米薄膜，可用于滤水；多层组装的瓶刷聚合物，能像蝴蝶翅膀那样反射可见光。
