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物理学与人工智能的连接:2024年诺贝尔物理学奖解析

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科学通报 2025年

作者：唐乾元香港浸会大学物理系

The 2024 Nobel Prize in Physics was awarded to John Hopfield and Geoffrey Hinton for their pioneering contributions to artificial neural networks and machine learning. Hopfield was originally trained as a condensed matter physicist, while Hinton has a background in cognitive psychology and artificial intelligence. Both of them recognized the deep connection between neural computation and statistical physics. Their pioneering work demonstrates how principles from statistical physics shaped the theoretical foundations of artificial neural networks and deep learning. This review mainly introduces their breakthrough achievements in neural networks and machine learning, with particular emphasis on the underlying physical *** Hopfield model is one of the most significant contributions of John Hopfield, introducing a groundbreaking theoretical framework for understanding associative memory in machines. This model operates through an iterative dynamic rule, updating neuron states to minimize an energy function, which takes inspiration from spin glass systems in physics. The energy landscape concept in the Hopfield model provides crucial insights into information storage and retrieval. By demonstrating robust distributed representations, the model has inspired extensive research on attractor dynamics in both artificial neural networks and biological systems, serving as a foundational pillar for modern neural architectures and brain-inspired computing. Beyond this model, Hopfield explored time encoding in neural systems,highlighting the role of synchronized oscillations and providing new perspectives on temporal dynamics in enhancing computational capacity. He also pioneered the critical brain hypothesis, linking neural network dynamics to self-organized *** Boltzmann machine, developed by Geoffrey Hinton and his collaborators, serves as a key architecture bridging statistical physics and machine learning. In this model, the energy function determines t

关键词：

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基于哈伯德模型的超冷原子量子模拟研究进展

物理学报 2025年第1期74卷 1-6页

作者：何院耀杨兵西北大学现代物理研究所西安710127 南方科技大学物理系深圳518055

费米-哈伯德模型是描述凝聚态物理中关联电子体系的基础模型,与高温超导现象具有深刻联系.近年来,超冷原子量子模拟已成为研究该模型的重要范式,同时多体数值计算在该模型基础物理性质的研究方面也取得了重要进展.特别地,最近超冷原子... 详细信息

费米-哈伯德模型是描述凝聚态物理中关联电子体系的基础模型,与高温超导现象具有深刻联系.近年来,超冷原子量子模拟已成为研究该模型的重要范式,同时多体数值计算在该模型基础物理性质的研究方面也取得了重要进展.特别地,最近超冷原子实验观测到三维哈伯德模型中的反铁磁相变,是费米-哈伯德模型量子模拟的重要一步,为理解量子磁性与高温超导之间的联系奠定了基础.本文回顾费米-哈伯德模型的理论与实验研究进展,侧重于三维体系,并讨论实验的发展历程和现状,展望未来的发展趋势.

关键词：费米-哈伯德模型超冷原子量子模拟量子多体数值计算反铁磁相变

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氮氧锚定的单原子铜掺杂石墨烯作为碱离子电池负极的理论预测研究

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物理学报 2025年第3期74卷 79-89页

作者：胡军平梁丝思段惠贤田俊程陈硕戴柏杨黄春来刘宇吕营万利佳欧阳楚英南昌工程学院南昌市光电转换与储能材料重点实验室南昌330099 南昌工程学院理学院南昌330099 江西师范大学物理系计算材料物理实验室南昌330022

合理设计高容量的新型电极材料是进一步提高离子电池能量密度的关键.石墨烯曾被认为是离子电池负极材料最有前景的候选者之一,然而因纯的石墨烯与相应离子的相互作用较弱,导致其理论比容量都不高.基于此,本文通过第一性原理评估氮氧(N,O... 详细信息

合理设计高容量的新型电极材料是进一步提高离子电池能量密度的关键.石墨烯曾被认为是离子电池负极材料最有前景的候选者之一,然而因纯的石墨烯与相应离子的相互作用较弱,导致其理论比容量都不高.基于此,本文通过第一性原理评估氮氧(N,O)锚定的单原子铜掺杂石墨烯的二维材料Cu/NO_(2)G作为锂/钠/钾离子电池负极的可行性.计算结果显示,Cu/NO_(2)G在热力学和动力学上都是稳定的,在吸附Li/Na/K前后均保持良好导电性,并且Cu/NO_(2)G储存Li/Na/K的理论比容量分别高达1639.9 mAh/g,2025.8 mAh/g,1157.6 mAh/g,在Li/Na/K嵌入的过程中,其晶格常数变化微小(<1%),这预示着其循环稳定性能佳.此外,Li,Na,K在Cu/NO_(2)G表面上的迁移势垒分别为0.339 eV,0.209 eV和0.098 eV,表明其具有优异的倍率性能.综上所述,本文结果为合理设计金属单原子掺杂石墨烯作为碱金属离子电池的新型负极材料奠定了坚实的理论基础.本文数据集可在https://***/10.57760/sciencedb.j00213.00063中访问获取.

关键词：第一性原理离子电池石墨烯掺杂

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部分相干光束聚焦的可视化实验虚拟仿真教学设计

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实验室研究与探索 2025年第2期44卷 81-84页

作者：万里鹏赵道木南昌大学物理与材料学院南昌330031 浙江大学物理学院杭州310058

部分相干光束聚焦对于培养学生在光刻、光学成像领域的实验能力至关重要。提出一种基于实验可视化的虚拟仿真教学方法。利用快速傅里叶变换以及相干模式叠加技术,设计实验虚拟仿真教学系统,直观地展现部分相干光束不同条件下的聚焦过程... 详细信息

部分相干光束聚焦对于培养学生在光刻、光学成像领域的实验能力至关重要。提出一种基于实验可视化的虚拟仿真教学方法。利用快速傅里叶变换以及相干模式叠加技术,设计实验虚拟仿真教学系统,直观地展现部分相干光束不同条件下的聚焦过程及影响因素。通过调整光束参数以及聚焦系统特性,观察聚焦光斑的光强分布以及变化。实践表明,该实验仿真突破了实验操作要求高及可调性弱的难点,可视化、互动性在实验教学中具有明显优势,可有效提高实验教学效果,增强学生对光刻及光学成像中部分相干光聚焦原理的理解。

关键词：部分相干光束聚焦可视化虚拟仿真实验教学互动式学习

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离子回旋共振法同位素分离研究进展

核技术 2025年第1期48卷 12-26页

作者：罗岚月张梦龙汪耀庭李和平姜东君周明胜清华大学工程物理系北京100084

离子回旋共振同位素分离(Ion Cyclotron Resonance Isotope Separation,ICR-IS)方法自20世纪70年代提出以来,受到了世界各国研究者和产业界的广泛关注。本文基于国内外研究者公开发表的有关ICR-IS的研究成果,综述了ICR-IS方法的基本原... 详细信息

离子回旋共振同位素分离(Ion Cyclotron Resonance Isotope Separation,ICR-IS)方法自20世纪70年代提出以来,受到了世界各国研究者和产业界的广泛关注。本文基于国内外研究者公开发表的有关ICR-IS的研究成果,综述了ICR-IS方法的基本原理、装置基本结构、产生显著同位素分离效应需要满足的主要约束条件,以及用于不同种类同位素分离的ICR理论与实验研究进展,最后简要探讨了推动该方法走向实际工程应用仍需深入研究的关键科学与技术问题。

关键词：同位素分离离子回旋共振选择性加热乏燃料后处理非平衡态等离子体带电粒子输运

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中国锦屏地下实验室二期环境伽马本底测量

中国科学:物理学力学天文学 2025年

作者：张鹏代文翰张秋丽景明坤马豪曾志程建平清华大学工程物理系北京师范大学物理与天文学院

国家重大科技基础设施“极深地下极低本底前沿物理实验设施”（简称锦屏大设施）依托中国锦屏地下实验室二期（CJPL-II）建设而成,建设中采取了低本底建筑材料筛选、多层防水抑氡层等多种技术手段控制实验室的环境辐射本底.为评估实验... 详细信息

国家重大科技基础设施“极深地下极低本底前沿物理实验设施”（简称锦屏大设施）依托中国锦屏地下实验室二期（CJPL-II）建设而成,建设中采取了低本底建筑材料筛选、多层防水抑氡层等多种技术手段控制实验室的环境辐射本底.为评估实验室的环境伽马辐射本底水平,本文使用便携式高纯锗谱仪测量了CJPL-II的A1实验厅、C2实验厅（大型聚乙烯屏蔽仓内/外）和CD连接隧道的环境伽马本底.其中,A1实验厅、C2实验厅和CD连接隧道环境伽马能谱60–2700 keV积分计数率为70–77 cps,对应环境238U核素含量为4.69–5.81 Bq/kg,232Th为5.57–6.66 Bq/kg,40K为127.00–149.44 Bq/kg;C2实验厅大型聚乙烯屏蔽仓内环境伽马能谱60–2700 keV积分计数率为2.2 cps,相比屏蔽仓外降低了约97%;未识别到60Co和137Cs等人工放射性核素.本文结果表明,锦屏大设施建设中各类建筑材料的放射性本底控制取得了良好效果,环境伽马本底在国际同类深地实验室中处于一流水平.

关键词：中国锦屏地下实验室环境伽马本底测量高纯锗谱仪核素含量

中国锦屏地下实验室二期洞壁表面氡析出率测量及防水抑氡效果分析

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中国科学:物理学力学天文学 2025年

作者：张秋丽徐鹏程代文翰张鹏景明坤薛涛马豪曾志程建平清华大学工程物理系北京师范大学物理与天文学院

空气中的氡是地下实验室环境辐射本底重要来源,国家重大科技基础设施“极深地下极低本底前沿物理实验设施”（简称锦屏大设施）依托中国锦屏地下实验室二期（CJPL-II）建设,通过建设新风系统与防水抑氡层来控制实验室空气中的氡浓度.为... 详细信息

空气中的氡是地下实验室环境辐射本底重要来源,国家重大科技基础设施“极深地下极低本底前沿物理实验设施”（简称锦屏大设施）依托中国锦屏地下实验室二期（CJPL-II）建设,通过建设新风系统与防水抑氡层来控制实验室空气中的氡浓度.为评估防水抑氡工程效果,包括防水抑氡层对岩石析氡抑制和工程整体对实验室空气氡浓度的抑制,本文使用表面氡析出率测量仪测量防水抑氡层各工艺面的表面氡析出率,使用空气氡测量仪和便携式高纯锗谱仪对防水抑氡工程前后实验室的环境氡浓度以及氡子体的伽马辐射本底进行测量.测量结果表明,防水抑氡层建设后表面氡析出率降至岩壁析出率1%以下,各实验厅防水抑氡层表面氡析出率均小于0.1 mBq m-2s-1;就地伽马能谱中的214Pb和214Bi特征峰计数率下降约60%,氡子体214Pb和214Bi对就地测量能谱中214Pb和214Bi特征峰的贡献降低约20%–40%;抑氡工程后,实验厅内空气氡浓度降至（20.3±0.1） Bq m-3,约为建设前（208.0±0.1） Bq m-3的1/10.以上结果说明防水抑氡工程有效降低了氡及其子体浓度,为二期实验室的低本底环境提供了坚实保障.

关键词：锦屏地下实验室防水抑氡层氡析出率氡浓度

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从漂移速度到相对论时空变换

物理 2025年第2期 128-133页

作者：吴从军西湖大学物理系新基石科学实验室

文章提供了一种基于基础电磁学来引入狭义相对论的方法，无需借助麦克斯韦方程组。通过研究电荷和磁单极在正交电磁场中的漂移速度，可以得出“物理”的漂移速度存在一个普适的上限(即光速)。这样光速不变性及其不可超越性，就成为相对...

文章提供了一种基于基础电磁学来引入狭义相对论的方法，无需借助麦克斯韦方程组。通过研究电荷和磁单极在正交电磁场中的漂移速度，可以得出“物理”的漂移速度存在一个普适的上限(即光速)。这样光速不变性及其不可超越性，就成为相对性原理的推论。在正交电磁场中，电荷和磁单极的漂移运动在惯性参考系之间的变换下，仍然保持漂移运动，而这与伽利略的速度迭加法则并不相容。以此出发，可以导出相对论的速度迭加法则、电磁场以及时空坐标间隔的相对论变换。

关键词：

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新型暗物质相互作用研究

中国科学:物理学力学天文学 2025年

作者：刘家璇杨丽桃岳骞清华大学工程物理系

弱相互作用大质量粒子(Weak Interacting Massive Particles, WIMPs)作为最著名的暗物质(Dark Matter, DM)候选粒子,目前已有大量直接探测实验对其进行探测.对WIMPs的参数空间的排除区域已经接近中微子地板(Neutrino Floor).基于此,学... 详细信息

弱相互作用大质量粒子(Weak Interacting Massive Particles, WIMPs)作为最著名的暗物质(Dark Matter, DM)候选粒子,目前已有大量直接探测实验对其进行探测.对WIMPs的参数空间的排除区域已经接近中微子地板(Neutrino Floor).基于此,学界开始关注轻质量暗物质粒子的研究.许多新的轻质量暗物质候选粒子被提出.本文将介绍CDEX实验组对其中几种轻质量暗物质候选粒子:轴子类暗物质(Axion DM)、暗光子暗物质(Dark Photon DM)和费米子暗物质(Fermionic DM)的探测结果.

关键词：轴子暗光子费米子暗物质 CDEX