国家自然科学基金委员会3月27日发布2024年度“中国科学十大进展”。本年度“中国科学十大进展”主要分布在数理天文信息、化学材料能源、地球环境和生命医学等科学领域。
此项年度评选活动自2005年启动以来，已成功举办20届。2024年度“中国科学十大进展”是由相关学科领域专家先从700多项科学研究成果中遴选出31项成果，再由包括440余位两院院士在内的2700余位专家学者实名投票，最终确定10项重大科学研究成果。
1.嫦娥六号返回样品揭示月背28亿年前火山活动
中国科学院地质与地球物理研究所李秋立、中国科学院广州地球化学研究所徐义刚和中国科学院国家天文台李春来等发布首批嫦娥六号（CE-6）月球背面样品的研究成果，结果表明CE-6月壤样品包含玄武岩、角砾岩、粘结岩、玻璃和浅色岩屑等，密度明显偏低，粒度呈双峰式分布，其成分与当地玄武岩成分存在较大差异，显示月壤来源的复杂性。当地玄武岩属低钛低铝类型，Sr-Nd-Pb同位素显示其来自极度亏损的月幔源区，形成于约28亿年前的火山喷发，并发现一期42亿年前的玄武质火山活动，指示月球背面存在长期的火山活动历史。CE-6样品为研究月球背面火山活动、撞击历史和月球背面与正面地质差异提供了直接证据，开启了月球研究的新阶段。
2.实现大规模光计算芯片的智能推理与训练
针对人工智能推理与训练面临的算力、能效双重桎梏，清华大学方璐、戴琼海提出了广度光计算架构，建立了光子干涉-衍射联合传播模型，研制了大规模通用智能“太极”光计算芯片，系统级能效为每焦耳160万亿次运算；提出了全前向智能光训练方法，创建了光子传播对称性模型，摆脱了对离线电训练的依赖，赋能高效精准的原位光训练。该团队研制的“太极”光芯片实现了大规模光子神经网络的推理与训练，相较国际先进芯片能效提升2个数量级、训练效率提升1个数量级，有望为人工智能大模型、通用人工智能和智能无人系统等注入算力发展的“光子”动力，为后摩尔时代高速高能效智能计算探索了新路径。
3.阐明单胺类神经递质转运机制及相关精神疾病药物调控机理
神经递质在大脑信号传导中经历“释放-回收-再装载”的循环过程，该过程的紊乱会引发多种精神疾病。神经递质转运体在该循环中发挥关键作用，因此调控其活性是治疗精神疾病的核心策略，但现有药物存在一定副作用和成瘾风险。为阐明神经递质转运机制和药物作用机制，中国科学院生物物理研究所赵岩团队，联合中国科学院物理研究所姜道华等，系统阐明了多种神经递质转运体介导多巴胺、去甲肾上腺素、甘氨酸和囊泡单胺的转运过程；揭示了它们与不同精神疾病药物的精准作用机制，并发现了新型低成瘾性药物结合位点。该系列研究加深了对神经递质循环的理解，为设计副作用小、成瘾性低的精神疾病治疗药物提供了结构基础，并将推动我国精神疾病药物研发的进程。
4.实现原子级特征尺度与可重构光频相控阵的纳米激光器
激光器的微型化开启了光子技术发展的新纪元，深刻变革了人类的科技与生活。经过半个多世纪的不懈探索，科研人员成功将激光器的特征尺度缩减至约10纳米。北京大学马仁敏等提出了奇点色散方程，构建了介电体系突破光学衍射极限的理论框架，并研制出迄今模式体积最小的激光器。所研发的奇点介电纳米激光器将激光器的特征尺度推进至原子级。该研究还构建了基于纳米激光器的可重构光频相控阵，展示了纳米激光器能够以“中”“国”等图形生成可重构的阵列化相干激射。该研究为物质科学和生命科学提供了全新的原子级成像工具。与常规激光器相比，纳米激光器还具有更低能耗、更快调制速度等特点，有望在信息技术等领域得到广泛应用。
5.发现自旋超固态巨磁卡效应与极低温制冷新机制
极低温制冷在空间探测、物质科学、量子科技和大科学装置等研究领域被广泛应用，但该技术高度依赖全球极其短缺的氦3资源。为解决该问题，亟需发展无氦3极低温制冷新技术。中国科学院理论物理研究所/中国科学院大学苏刚、李伟，中国科学院物理研究所孙培杰和北京航空航天大学金文涛等，经过长期探索，在钴基三角晶格量子磁性材料中发现了兼具固体和超流体特征的新奇量子物态—自旋超固态，首次在固体物质中发现自旋超固态存在的实验证据。进一步研究发现自旋超固态可引起巨磁卡效应，通过调控磁场获得了94mK(－273.056℃)的极低温，成功实现了亚开温区无氦3极低温固态制冷，开辟了极限制冷新途径。目前，正基于该效应开展新型极低温制冷器件的研制与实际应用探索。
6.异体CAR-T细胞疗法治疗自身免疫病
长期以来，如何缓解和治愈自身免疫性疾病是全球共同面临的医学难题。CAR-T细胞疗法带来了新希望，但传统自体CAR-T细胞疗法存在个性化生产周期长、费用高等局限性，限制了其广泛应用。海军军医大学第二附属医院（上海长征医院）徐沪济、华东师范大学杜冰、浙江大学医学院附属第二医院吴华香和华东师范大学刘明耀等采用自主研发的异体CAR-T细胞开展临床研究，成功治疗了1名难治性免疫介导的坏死性肌炎患者和2名重症弥漫型系统性硬化症患者。这是国际上首次报道使用健康供者来源的异体通用型CAR-T细胞治疗自身免疫病，在临床上取得了显著的疗效，对广泛使用CAR-T细胞疗法和降低其治疗费用起到推动作用。
7.额外X染色体多维度影响男性生殖细胞发育
X染色体的基因表达量对生殖发育至关重要。克氏综合征（47，XXY）是男性不育最常见的遗传学原因，其额外的X染色体损害男性生殖细胞发育的分子机制数十年来始终未解。北京大学乔杰、袁鹏、闫丽盈、魏瑗等研究发现，克氏综合征男性生殖细胞的发育缺陷始于胎儿期，其生殖细胞的额外X染色体未发生失活，导致X染色体基因表达失衡，减数分裂等分化基因被抑制，迫使细胞滞留于幼稚状态。此外，生殖细胞与支持细胞的互作异常会干扰二者的协同迁移，妨碍其进一步分化。体外实验发现抑制TGF-β通路可促进生殖细胞分化。该研究不仅为克氏综合征患者不育的发病机制提供了重要见解，也为早期治疗提供了重要的理论依据。
8.凝聚态物质中引力子模的实验发现
根据波粒二象性，引力子被视为引力波所对应的自旋2的假想粒子，是连接广义相对论与量子力学的关键。理论推测分数量子霍尔效应中或涌现出类引力子，这种凝聚态准粒子是自旋2的低能模式激发（称为引力子模或引力子激发），但一直未被观测到。南京大学杜灵杰等自主设计、组装了极低温强磁场共振非弹性偏振光散射系统，基于砷化镓量子阱，在分数量子霍尔效应中观察到了引力子模。这种类引力子的实验发现从二维空间角度揭示了度规扰动的量子是自旋2的低能激发，为在凝聚态物质中研究量子引力问题提供了新思路，也有助于理解引力子物理的量子规律。该成果证实了分数量子霍尔效应新的几何描述，有望推动半导体电子系统微观结构探测及拓扑量子计算发展。
9.高能量转化效率锕系辐射光伏微核电池的创制
微型核电池因持久稳定的电力供应特性，在极端环境和长期运作需求中具有独特优势。锕系核素因其长半衰期和高衰变能，成为该类电池的理想“燃料”。然而，传统的微型核电池设计中严重的自吸收阻碍了锕系核素衰变能的高效转换。苏州大学王殳凹、王亚星和西北核技术研究所/湘潭大学欧阳晓平等提出了一种基于“聚结型能量转换器”的锕系微型核电池架构，实现了锕系核素与能量转换单元的分子级耦合，大幅削减了自吸收效应，使衰变能转化效率提升8000倍。该研究结合光伏电池技术将辐射自发光转化为电力输出，开发出新型锕系辐射光伏核电池，达到了此类电池最高的能量转换效率。该研究为高效微型核电池开发提供了理论基础，也为放射性废物的资源化利用提供了新思路。
10.发现超大质量黑洞影响宿主星系形成演化的重要证据
星系是构成宇宙的基本单位，探索星系中恒星形成的触发和停止机制是星系宇宙学的核心任务之一。理论推测星系中心的超大质量黑洞生长过程中释放的能量是影响星系从“生”（恒星形成星系）到“死”（宁静星系）转变的重要机制，但长期缺乏观测支持。南京大学王涛等发现星系中心黑洞的质量是调制星系中冷气体含量的最关键物理量：黑洞质量越高的星系其冷气体含量越低。该研究揭示了中心黑洞主要通过限制冷气体这一恒星形成的原料来调控星系演化，解释了宁静星系普遍含有一个较大质量的中心黑洞的原因，向着最终揭开星系生死之谜迈出了关键一步。
（信息来源：《光明日报》）
