Časopis Physics World, vydávaný britskou fyzikální společností Institute of Physics, vyhlašuje každoročně cenu Breakthrough of the Year. Deset finalistů ze všech článků publikovaných v tomto periodiku vybrala redakce i za rok 2025.
Mezi finalisty se každoročně dostávají nejzajímavější či nejzásadnější objevy, o nichž časopis informoval v uplynulém roce. Jednotlivé články jsou prezentovány v náhodném pořadí, takže konkrétní místo v žebříčku nevypovídá nic o důležitosti konkrétní práce.
Průlomová publikace navíc splňuje tři další podmínky. Prezentuje významný pokrok ve znalostech nebo chápání, musí být důležitá pro vědecký pokrok (a)nebo vývoj reálných aplikací a konečně je obecně zajímavá pro čtenáře Physics World.
Do těchto kritérií se dle redakčního výběru za rok 2025 nejlépe hodily následující publikace.
Pionýři 2D kovů
Úvodní nominace patří Guangyu Zhangovi, Luojun Duovi a jejich kolegům z Fyzikálního ústavu Čínské akademie věd za výrobu prvních 2D kovových vrstev. Tým vytvořil na bázi vizmutu, cínu, olova, india a gallia pět atomárně tenkých 2D kovů, přičemž nejtenčí má tloušťku okolo 6,3 Å ([Å] = 10−10 m).
Vědci tvrdí, že jejich práce je jen „špičkou ledovce“, protože v periodické tabulce je 88 kovových prvků. Na těchto nových materiálech zároveň testují základní fyzikální principy, což by mohlo časem vést k vývoji zcela nových technologií.
Od objevu grafenu (monoatomární uhlíkové vrstvy) v roce 2004 byly vyrobeny a studovány stovky dalších 2D materiálů. Ve většině z nich jsou vrstvy kovalentně vázaných atomů odděleny mezerami, kde sousední vrstvy drží pohromadě pouze slabé van der Waalsovy (vdW) interakce, což relativně usnadňuje oddělování jednotlivých vrstev a přípravu 2D materiálů. Mnozí si však mysleli, že výroba 2D kovů bude vzhledem ke struktuře nemožná, protože každý jejich atom je silně vázán s okolními ve všech směrech.
Technika vyvinutá Zhangem, Duem a kolegy využívá tzv. vdW kovadlinu. Tu představuje monovrstva MoS2 epitaxně nanesená na safíru. Mezi dvěma vdW kovadlinami se zahřívají prášky čistých kovů. Jakmile se prášky roztaví do kapky, aplikuje se na ně vysoký tlak 200 MPa. V něm se nechají protilehlé kovadliny vychladnout na pokojovou teplotu a mezi nimi se zformuje 2D kovová vrstva.
Hledání prvků důležitých pro život na asteroidu
Tim McCoy, Sara Russell, Danny Glavin, Jason Dworkin, Yoshihiro Furukawa, Ann Nguyen, Scott Sandford a Zack Gainsforth ze Smithsonian’s National Museum of Natural History spolu s mezinárodním týmem spolupracovníků identifikovali ve vzorcích z asteroidu 101955 Bennu širokou paletu látek nezbytných pro vznik života. Analýzy konkrétně doložily sůl, amoniak, cukr, organické materiály bohaté na dusík a kyslík a stopy prachu ze supernov bohatých na kovy.
Neuvěřitelné chemické bohatství tohoto asteroidu, který se přiblížil k Zemi a v roce 2020 jej navštívila kosmická sonda NASA OSIRIS-REx, podporuje dlouhodobou hypotézu, že dopady asteroidů mohly „osít“ naši ranou planetu surovinami potřebnými pro vznik života. Tyto objevy také prohlubují naše chápání toho, jak se Bennu a další objekty ve sluneční soustavě zformovaly z disku hmoty, který se shlukl kolem mladého Slunce.
První supratekutá molekula
Další nominace patří Takamasovi Momoseovi z University of British Columbia v Kanadě a Susumu Kumovi z Laboratoře atomové, molekulární a optické fyziky RIKEN v Japonsku za první pozorování supratekuté molekuly.
Molekulární vodík je nejjednodušší a nejlehčí ze všech molekul a teoretici předpovídali, že do stavu supratekutosti vstoupí při teplotě mezi jedním až dvěma kelviny. To je však hluboko pod bodem tuhnutí molekuly samotné (13,8 K). Momose, Kuma a kolegové proto museli nejprve vyvinout způsob, jak udržet vodík v kapalném stavu při extrémně nízké teplotě. To se jim podařilo, čímž se před nimi otevřela další otázka, jak detekovat nástup supratekutosti. Na tomto problému pak pracovali téměř 20 let. Nakonec se jim podařilo shluky molekul vodíku uzavřít uvnitř nanokapiček hélia. Do každé z nich následně vložili molekulu metanu, jejíž rotace nástup supratekutosti indikuje. Tým teď plánuje studium větších shluků molekulárního vodíku s cílem prozkoumat hranici mezi klasickým a kvantovým chováním v tomto systému.
Dutá vlákna prolamují limity optického přenosu dat
Výzkumníci z University of Southampton a společnosti Microsoft Azure Fiber ve Velké Británii vyvinuli nový typ optického vlákna, které snižuje ztráty signálu, zvyšuje šířku pásma a slibuje rychlejší a ekologičtější komunikaci. Tento vynález je také zařadil mezi nominované za rok 2025, protože nová technologie významně překonává možnosti optických vláken, jak je známe už po 40 let.
Tým vedený Francescem Polettim nahradil skleněné jádro konvenčního vlákna vzduchovou dutinou, obklopenou skleněnou membránou. Ta zachycuje a odráží světlo definovaných frekvencí, které se díky tomu udržuje v pohybu dutým středem vlákna.
Dosavadní měření potvrzují, že dutá vlákna vykazují o 35 % menší útlum než standardní skleněná vlákna a umožňují zvýšení přenosové rychlosti o 45 %. V dlouhých komunikačních kabelech by tak bylo potřeba méně zesilovačů, což by vedlo k úspoře energie, nehledě na současné zrychlení přenosu.
Společnost Microsoft začala testovat nová vlákna v reálných systémech, instaluje segmenty do své sítě a realizuje jimi živý provoz. Tyto testy otevírají dveře k postupnému zavádění do širší praxe. Poletti naznačuje, že dutá vlákna by se jednoho dne mohla masově uplatnit v podmořských kabelech.
První ošetření pacientů protonovou obloukovou terapií
Další nominace patří Francescu Fracchiollovi a kolegům z Centra protonové terapie v Trentu v Itálii za realizaci první klinické léčby s využitím protonové obloukové terapie (PAT).
Protonová terapie – precizní léčba rakoviny – se obvykle provádí pomocí skenování tužkovým paprskem, který přesně aplikuje dávku na nádor. Tento přístup však může být omezen malým počtem směrů paprsku, které lze dodat v přijatelném čase léčby. PAT tento problém překonává přechodem na obloukovou trajektorii s protony směřujícími ve velkém počtu úhlů paprsku a možností optimalizace velikosti energií použitých pro každý směr paprsku.
Ve spolupráci s výzkumníky z RaySearch Laboratories ve Švédsku provedl tým úspěšná dozimetrická srovnání s klinickými plány protonové terapie. Po testu proveditelnosti, který potvrdil životaschopnost klinické aplikace PAT, vědci použili PAT k léčbě devíti onkologických pacientů. Důležité je, že veškerá léčba byla provedena s využitím stávajícího systému protonové terapie a klinického pracovního postupu centra.
Proteinový qubit pro kvantové biosenzory
Peter Maurer a David Awschalom z Pritzker School of Molecular Engineering při University of Chicago a jejich kolegové navrhli proteinový kvantový bit (qubit), který lze vytvořit přímo uvnitř živých buněk a použít jako senzor magnetického pole. Tento úspěch je dostal na další místo v žebříčku časopisu Physics World.
Mnoho dnešních kvantových senzorů je založeno na centrech dusík-vakance (NV) v diamantu. Jsou však velké a obtížně se umisťují uvnitř živých buněk. Místo nich tým použil fluorescenční proteiny, které mají průměr pouhé 3 nm a mohou být produkovány buňkami na požadovaném místě s atomární přesností.
Tyto proteiny mají podobné optické a spinové vlastnosti jako qubity založené na NV centrech, konkrétně vykazují metastabilní tripletový stav. Vědci použili laserový puls v blízké infračervené oblasti k optickému adresování žlutého fluorescenčního proteinu a odečetli jeho tripletový spinový stav se spinovým kontrastem až 20 %. Poté geneticky modifikovali protein a měřili signály s kontrastem až 8 %. Poznamenávají, že ačkoli se tento výkon nevyrovná výkonu NV kvantových senzorů magnetické rezonance, mohl by umožnit měření magnetické rezonance přímo uvnitř živých buněk, což NV centra magnetické rezonance nedokážou.
Snímky atomu v historicky nejvyšším rozlišení
Tým vedený Yichao Zhangem z University of Maryland a Pinshane Huangem z University of Illinois se do přehledu dostal za pořízení snímků jednotlivých atomů v materiálu v doposud nejvyšším rozlišení. Tým použil techniku elektronové mikroskopie zvanou elektronová ptychografie, s jejíž pomocí lze dosáhnout rozlišení 15 pm, což je rozměr asi desetkrát menší velikosti atomu.
Předmětem studia byl svazek dvou atomárně tenkých vrstev diselenidu wolframu, které byly vůči sobě pootočeny a vytvořily moaré supermřížku. Takto uspořádané 2D materiály jsou pro fyziky velmi zajímavé, protože jejich elektronické vlastnosti se mohou dramaticky měnit s malými změnami úhlu natočení. Mimořádné rozlišení mikroskopu umožnilo vizualizovat kolektivní vibrace v materiálu zvané moaré fázony. Ty jsou podobné fononům, ale dosud nebyly přímo pozorovány. Pozorování týmu se však shodují s teoretickými předpověďmi.
Použitá technika mikroskopie by měla prohloubit naše chápání významu moaré fázonů a dalších vibrací krystalové mřížky ve fyzice pevných látek. To by mohlo vést k vývoji nových užitečných materiálů.
Kvantová kontrola jednotlivých antiprotonů
Další místo patří kolaboraci BASE v CERN za první koherentní spinovou spektroskopii na jediném antiprotonu (antihmotovém protějšku protonu). Průlomový experiment je dosud nejpřesnějším měřením magnetických vlastností antiprotonu a mohl by být použit k testování Standardního modelu částicové fyziky.
Měření začíná vytvořením vysokoenergetických antiprotonů v urychlovači. Ty musejí být ochlazeny (zpomaleny) na kryogenní teploty, aniž by došlo k jejich ztrátě anihilací. Poté je jeden antiproton držen v ultrachladné elektromagnetické pasti, kde mikrovlnné pulzy manipulují s jeho spinovým stavem. Výsledný rezonanční vrchol byl 16krát užší než u předchozích měření, což umožnilo skokové zvýšení přesnosti. Tato úroveň kvantové kontroly otevírá dveře k vysoce citlivým srovnáním vlastností hmoty (protonů) a antihmoty (antiprotonů). Neočekávané rozdíly by mohly poukázat na novou fyziku za hranicemi Standardního modelu a mohly by také odhalit, proč je ve viditelném vesmíru mnohem více hmoty než antihmoty.
Varování před zemětřesením s využitím chytrých telefonů
Z hlediska reálné aplikace je nepochybně zajímavý také systém vyvinutý Richardem Allenem, ředitelem Berkeleyské seismologické laboratoře, a týmem Marca Stogaitise ze společnosti Google. Vytvořili globální síť chytrých telefonů s operačním systémem Android, která funguje jako systém včasného varování před zemětřesením.
Obvyklé systémy využívají sítě seismických senzorů, které rychle detekují zemětřesení v oblastech blízko epicentra a vydávají varování v celé postižené oblasti. Budování takových seismických sítí je však nákladné a mnoho oblastí náchylných k zemětřesením je nemá. Výzkumníci však využili akcelerometr v milionech telefonů v 98 zemích světa k vytvoření systému Android Earthquake Alert (AEA). Testování aplikace v letech 2021–2024 vedlo k detekci průměrně 312 zemětřesení měsíčně s magnitudou od 1,9 do 7,8.
U zemětřesení s magnitudou 4,5 nebo vyšší systém odesílal uživatelům upozornění TakeAction, a to v průměru šedesátkrát měsíčně, což představuje zhruba 18 milionů individuálních upozornění za stejnou dobu. Systém také poskytoval slabší varování BeAware v oblastech, kde se očekávala intenzita otřesů o síle 3 nebo 4 stupňů. Tým si nyní klade za cíl vytvořit mapy otřesů země, které by mohly pomoci záchranným složkám po zemětřesení.
„Mapa počasí“ exoplanetárního plynného obra
Poslední, a připomeňme, že náhodně přidělené místo v žebříčku, obsadila Lise Nortmannová a její kolegové z Univerzity v Göttingenu. Vytvořili první podrobné „mapy počasí“ exoplanety. Předpověď pro exoplanetu WASP-127b je přímo brutální. Vítr dosahuje rychlosti 33 000 km/h, čímž překonává jakýkoli podobný jev v celé sluneční soustavě.
WASP-127b je plynný obr nacházející se asi 520 světelných let od Země a k jeho průzkumu využili vědci přístroj CRIRES+ na European Southern Observatory’s Very Large Telescope. Exoplanetu pozorovali v době zhruba sedmihodinového průchodu před její hvězdou.
Spektrální analýza světla této hvězdy, které filtrovala atmosféra WASP-127b, odhalila Dopplerovy posuny způsobené nadzvukovými rovníkovými větry. Analýzou rozsahu Dopplerových posunů tým vytvořil hrubou mapu počasí WASP-127b, i když nedokázal rozlišit světlo přicházející z konkrétních míst na exoplanetě. Nortmannová a kolegové dospěli k závěru, že póly exoplanety jsou chladnější než zbytek WASP-127b, kde teploty mohou překročit 1000 °C. V atmosféře byla také detekována vodní pára, což zvyšuje pravděpodobnost exotických forem deště.
Pravděpodobně už jste v průběhu čtení zvolili vlastního vítěze. Rozhodl i Physics World, který z uvedených deseti nejlepších článků udělil cenu Breaktrough of the Year pionýrům 2D kovů, tedy práci uvedené hned na prvním místě v našem článku.
Literatura: https://physicsworld.com/a/pioneers-of-2d-metals-win-the-physics-world-2025-breakthrough-of-the-year/