脊髄損傷により、脳と歩行を生み出す脊髄領域との間の通信が切断され、永久的な麻痺につながる可能性があります。 このコミュニケーションを回復するために、チームは脳と脊椎のインターフェースを開発しました。このインターフェースは XNUMX つの埋め込み型システムで構成されています。XNUMX つは皮質活動を記録するシステム、もう XNUMX つは脚の動きを制御する脊髄領域を電気的に刺激するシステムです。
脳からの信号を監視するために、64 チャンネルの電極グリッドが参加者の脳の、下肢を動かす意図に反応する領域に埋め込まれます。 次に、人工知能ベースのアルゴリズムがこれらの脳信号をリアルタイムで解読してユーザーの運動意図を予測し、脚の筋肉を活性化するための刺激コマンドに変換します。
XNUMX 番目のデバイスは電極アレイに接続された神経刺激装置で、脚の動きを制御する脊髄領域に埋め込まれます。 このデバイスは、脚の筋肉を活性化するために必要な電気刺激を提供し、本質的に脳と脊髄の間にデジタルブリッジを作成します。 システム全体がワイヤレスで動作するため、ユーザーは独立して動き回ることができます。
研究チームは、38年前の自転車事故で脊髄損傷を負った10歳の男性を対象にこのシステムをテストした。 インプラント手術後、ブリッジにより参加者は脚の動きを直感的に制御できるようになり、立ったり、松葉杖を使って歩いたり、階段を登ったり、複雑な地形を横断したりできるようになりました。 脳と脊椎のインターフェースは、監視なしで自宅で使用した場合も含め、XNUMX 年以上使用しても信頼性と安定性を維持しました。
この研究は脊髄損傷を持つ人々に希望をもたらすものであり、それが私たちがこの研究を 2023 年のブレークスルー・オブ・ザ・イヤーと呼べることを非常にうれしく思っています。
選択基準
物理学の世界 2023年のブレークスルー・オブ・ザ・イヤーは、次の委員会によって選出されました。 物理学の世界 編集者は、物理学のすべての分野にわたって、今年ウェブサイトに公開された何百もの研究の最新情報とニュース記事をふるいにかけました. で報告されたことに加えて、 物理学の世界 2023 年に、勝者は次の基準を満たす必要があります。
- 知識または理解の著しい進歩
- 科学の進歩および/または実世界への応用の開発のための作業の重要性
- 一般的に関心のある 物理学の世界 読者
10 年のトップ 2023 のブレークスルーを完成させる次点 XNUMX 社を、レポートされたときの時系列順に以下にリストします。 物理学の世界.
に クセノフォン・ストラコサス, ハンネ・ビーズマンズ, マグナス・バーグレン およびリンシェーピング大学、ルンド大学、ヨーテボリ大学の同僚らは、 生体組織内に直接電子回路を作成する。 神経組織を電子機器とインターフェースすることにより、神経系の複雑な電気信号伝達を研究したり、神経回路を調節して疾患を治療したりする方法が提供されます。 しかし、硬い電子機器と柔らかい組織の間の不一致は、繊細な生命システムに損傷を与える危険があります。 代わりに、研究チームは注射可能なゲルを使用して、体内に直接柔らかい電極を作成しました。 生体組織に注入すると、ゲル内の酵素が体内の内因性代謝産物を分解し、ゲル内の有機モノマーの酵素重合を引き起こし、安定した柔らかい導電性電極に変換します。 研究者らはゼブラフィッシュと薬用ヒルにゲルを注入することでこのプロセスを検証し、そこでゲルが重合して組織内で電極を成長させた。
に 蔡哲仁 米国のロチェスター大学とカナダのヨーク大学、およびフェルミ研究所の研究に取り組む同僚 ミネルバ プラスチックターゲットから散乱するニュートリノから陽子の内部構造に関する情報をどのように収集できるかを示す実験。 ニュートリノは、物質とほとんど相互作用しないことで有名な素粒子です。 そのため、ポスドク研究者の蔡が、プラスチック中の陽子からのニュートリノの時折散乱が観察される可能性があると示唆したとき、疑問が生じた。 研究チームにとっての大きな課題は、炭素原子核に結合した陽子から散乱したニュートリノというより大きな背景の中で、孤立陽子(水素原子核)から散乱したニュートリノからの信号を観測することでした。 この問題を解決するために、彼らは炭素散乱信号をシミュレートし、それを実験データから慎重に差し引きました。 この技術は、陽子の構造についての洞察を提供するだけでなく、ニュートリノがどのように物質と相互作用するかについてさらに光を当てる可能性がある。
セリア・フィアマン氏と マルクス・オーバーターラー ドイツのハイデルベルク大学の ステファン・フレヒンガー ボース・アインシュタイン凝縮 (BEC) を使用して膨張する宇宙をシミュレーションし、その中の量子場。 このシミュレートされたシステムでは、凝縮物が宇宙を表し、その中を移動するフォノンが量子場の役割を果たしました。 BEC内の原子の散乱長を変えることで、研究チームは「宇宙」をさまざまな速度で膨張させ、フォノンが宇宙内でどのように密度変動を引き起こすかを研究した。 宇宙論の理論は、同様の効果が初期宇宙に大規模構造の種を蒔いた原因であると予測しているため、シミュレートされた宇宙は、実際の宇宙がどのようにして今日の姿になったかについて貴重な洞察を生み出す可能性があります。
に ロマン・ティロール および リカルド・サピエンツインペリアル・カレッジ・ロンドンとその同僚によるヤングの二重スリット時間干渉のデモンストレーション。 19 世紀の光波の干渉の観察 トーマス・ヤング これは物理学の歴史の中で最も象徴的な実験の XNUMX つであり、光の波動理論に基本的な裏付けを提供しました。 その実験や他の同様の実験では、空間にある一対の狭いスリットを通した光の回折が含まれていますが、英国などの研究者は、二重スリットを使用して時間内に同等の効果を達成することが可能であることを示しました。 時間的なアナログには、運動量は固定されていますが、周波数は変化します。 XNUMX つのスリットが次々に急速に現れては消える材料では、入ってくる波は空間内での経路を維持しますが、周波数では広がります。 研究者らは、半導体ミラーの反射率をXNUMX回続けてオン/オフし、ミラーから反射した光の周波数スペクトルに沿った干渉縞を記録することでこれを達成した。 彼らは、干渉が異なる空間位置ではなく、異なる周波数の波間で発生することを発見しました。 この研究は、信号処理や通信用の光スイッチ、または光コンピューティングなど、いくつかの用途に応用できる可能性があります。
に ベン・ラニヨン オーストリアのインスブルック大学とフランスのパリサクレー大学の同僚らは、量子中継器を構築し、それを使用して標準的な通信ファイバーを介して50 kmの距離にわたって量子情報を転送し、それによってすべての重要な機能を実証しました。単一システム内の長距離量子ネットワーク。 研究チームは、レーザーパルスで照射された後に光子を放出する、トラップされた一対のカルシウム40イオンから量子中継器を作成した。 それぞれの「親」イオンと絡み合ったこれらの光子は、通信波長に変換され、長さ 25 km の別々の光ファイバーに送られます。 最後に、中継器は 50 つのイオンのもつれを交換し、もつれ合った XNUMX つの光子を XNUMX km 離れた位置に残します。これは、複数のノードを持つ大規模ネットワークを作成するのに必要な距離とほぼ同じです。
ソー・ワイ・フラ, フォルカー・ローズ at アルゴンヌ国立研究所 アメリカとその同僚たち 放射光 X 線で単一原子をイメージングする。 最近まで、シンクロトロン X 線走査型トンネル顕微鏡を使用して分析できる最小のサンプル サイズは、約 10,000 個の原子であるアトグラムでした。 これは、単一の原子によって生成される X 線信号が非常に弱く、従来の検出器では検出できるほど感度が低いためです。 これを回避するために、研究チームは従来の X 線検出器に鋭い金属の先端を追加し、研究対象のサンプルのわずか 1 nm 上に設置しました。 鋭い先端がサンプルの表面を横切って移動すると、電子が先端とサンプルの間の空間をトンネルして電流が発生し、これにより基本的に各元素に固有の「指紋」が検出されます。 これにより、チームは走査型トンネル顕微鏡の超高空間分解能と強力な X 線照射によってもたらされる化学感度を組み合わせることができました。 この技術は、有毒物質を極めて低レベルまで追跡できるため、材料設計や環境科学への応用につながる可能性がある。
〜に アイガーコラボレーション ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) を使用して、初期銀河が初期宇宙の再電離に関与しているという説得力のある証拠を発見したことに対して賞を受賞しました。 再電離はビッグバンから約 1 億年後に起こり、水素ガスの電離が伴いました。 これにより、水素によって吸収されたはずの光が今日の望遠鏡に届くようになりました。 再電離は、成長して合体した局所的な泡として始まったようです。 これらの泡は放射線源によって生成されたものと考えられ、可能性の XNUMX つは銀河の星から来たものである可能性があります。 アイガーの研究者らは、JWSTの近赤外線カメラを使用して、イオン化した泡を通過した古代のクエーサーからの光を観察した。 彼らは銀河の位置と泡との間に相関関係を発見し、これらの初期の銀河からの光が確かに再電離の原因であることを示唆した。
蒙恬、松林史、そして ジェイ・ファインバーグ 特定の材料の亀裂が音速よりも早く広がる可能性があることを発見し、イスラエルのエルサレムにあるヘブライ大学の博士号を授与されました。 この結果は、材料内の音速は機械的エネルギーが材料中を移動する速度を反映するため、超音速亀裂の伝播は不可能であるという、これまでの実験結果と古典理論に基づく予測の両方に矛盾します。 研究チームの観察は、古典的な亀裂を導く原理とは異なる原理によって支配される、いわゆる「スーパーせん断」力学の存在を示している可能性がある。 ミハイルマーダー 約20年前に米国オースティンのテキサス大学で博士号を取得しました。
〜に アルファコラボレーション 反物質が物質とほぼ同じように重力に反応することを示した功績により。 物理学者たちは、CERN の ALPHA-g 実験を利用して、自由落下する反物質原子、つまり反電子に結合した反陽子からなる反水素を初めて直接観察しました。 これは、反水素が最初に磁気トラップ内に保持された背の高い円筒形の真空チャンバー内で行われました。 反水素はトラップから放出され、チャンバーの壁で消滅させられました。 研究チームは、リリースポイントよりも下でより多くの消滅が発生したことを発見した。 反水素の熱運動を考慮した結果、研究チームは反物質が落下すると結論づけた。 興味深いことに、重力による反水素の加速は、通常の物質が経験する加速の約 75% でした。 この測定の統計的有意性は低いですが、標準模型を超えた新しい物理学への扉が開かれたままになっています。
佳作
今年のトップ 10 の名誉ある賞は、3.5 億ドルの研究に取り組む物理学者に贈られます。 国立点火施設 2022年の受賞者を選んだ後、昨年末に研究室で行われた研究に対して、米国のNIF(NIF)に選ばれました(そのため、2023年の画期的な選択も逃しました)。 13 年 2022 月 XNUMX 日、研究室 発表の 制御された核融合反応から、反応に動力を供給するのに必要な以上のエネルギーを生成すること。 5年2022月3.15日に行われたレーザー射撃は、2.05つの水素同位体を含む小さなペレットからXNUMX万ジュール(MJ)のエネルギーを放出した。これに対し、レーザーが標的に届けたエネルギーはXNUMXMJだった。 この正味エネルギー利得の実証は、レーザー核融合における大きなマイルストーンを示します。
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