大亚湾实验发现中微子新的振荡模式
中微子是构成物质世界的一类基本粒子，它包括电子型中微子、μ子型中微子和τ子型中微子三种类型。这三种中微子在飞行中可以从一种类型转变成另一种类型，即中微子振荡。其振荡模式在理论上有3种，分别用θ23、θ12和θ13表示。前两种振荡已被多个实验所证实，第三种振荡因测量难度更大，一直没有被实验证实。θ13的大小关系到中微子物理研究未来的发展方向，并和宇宙起源中的反物质消失之谜相关，是国际上中微子研究的热点。
由中国科学院高能物理研究所牵头的大亚湾反应堆中微子实验，是利用大亚湾核电站反应堆测量sin22θ13的实验计划，其设计精度比过去国际最好水平提高近一个量级。该合作组利用55天获取的中微子事例，测量得到sin22θ13的大小为0.092，误差为1.7%。测量结果的显著性为5.2个标准偏差，也就是说无振荡的可能性只有千万分之一。
该结果加深了人类对中微子基本特性的认识，得到国际高能物理学界的高度评价，并被《科学》杂志评选为2012年度十大科学突破之一。■
首次在实验中发现量子反常霍尔效应
由中国科学院物理研究所和清华大学等机构科研人员组成的团队，在实验中首次观测到量子反常霍尔效应，这是我国科学家从实验中独立观测到的一个重要物理现象，也是物理学领域基础研究的一项重要科学发现。该成果于北京时间2013年3月15日在线发表于《科学》杂志。
美国科学家霍尔分别于1879年和1880年发现霍尔效应和反常霍尔效应。量子霍尔效应之所以如此重要，一方面是由于它们体现了二维电子系统在低温强磁场的极端条件下的奇妙量子行为；另一方面这些效应可能在未来电子器件中发挥特殊的作用，可用于制备低能耗的高速电子器件。
例如，如果把量子霍尔效应引入计算机芯片，将会克服电脑的发热和能量耗散问题。然而由于量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场，因此至今为止它还没有特别大的实用价值，因为要产生所需的磁场不但价格昂贵，而且其体积庞大，也不适合于个人电脑和便携式计算机。
但量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场。因此，这项研究将会推动新一代低能耗晶体管和电子学器件的发展，可能加速推进信息技术进步的进程。■
世界唯一实用化深紫外全固态激光器研制成功
2013年9月6日，由中国科学院承担的国家重大科研装备“深紫外固态激光源前沿装备研制项目”通过验收，使我国成为世界上唯一一个能够制造实用化、精密化深紫外全固态激光器的国家。
中科院科研人员在国际上首先生长出大尺寸氟硼铍酸钾晶体，并发现该晶体是第一种可用直接倍频法产生深紫外波段激光的非线性光学晶体。科研人员在此基础上发明了棱镜耦合专利技术，率先发展出直接倍频产生深紫外激光的先进技术。科学家已应用该系列装备获得了一系列重要成果，使我国深紫外领域的科研水平处于国际领先地位。
项目验收会上，专家一致认为该项目是我国自主研发高精尖仪器的成功范例，属于源头创新工作。该项目的实施打造了我国“晶体—光源—装备—科研—产业化”的自主创新链，形成了创新的项目组织与管理模式，为学科交叉面广、跨度大、探索性和工程性均很强的原创性重大科研装备自主创新积累了宝贵经验。■
首个自驱动可变形液态金属机器问世
2015年，由中国科学院理化技术研究所、清华大学医学院组成的联合研究小组，发现液态金属可在吞食少量物质后，以可变形机器形态长时间高速运动，实现无需外部电力的自主运动。此发现在世界属首次，相关论文发表于《先进材料》杂志。同时，《自然》杂志在其“研究亮点”栏目以《液态金属马达靠自身运动》为题进行了报道；《科学》杂志也在网站指出“可变形金属马达拥有一系列用途”。
该研究小组在实验室中制成了不同大小的液态金属机器，尺寸从数十微米到数厘米不等，并在不同电解液环境如碱性、酸性乃至中性溶液中验证了其自主运动的性能。研究人员还揭示了这种自主型液态金属机器动力的主要来源：一是液态合金、金属燃料等形成的内生电场，诱发了液态金属表面的高表面张力发生不对称响应，从而给变形的液态金属机器带来了强大推力；二是上述电化学反应过程中产生的氢气进一步为液态金属运动提供了推力。这种液态金属机器完全摆脱了庞杂的外部电力系统，向研制自主独立的柔性机器迈出了关键的一步，标志着中国在液态金属领域达到世界领先水平。■
首次发现外尔费米子
中国科学院物理研究所研究员方忠带领的团队首次在实验中发现了外尔费米子。这是国际物理学研究的一项重要科学突破，对拓扑电子学和量子计算机等颠覆性技术的突破具有非常重要的意义。
科学家把基本粒子分为玻色子和费米子两大类，费米子是组成物质的基本粒子。外尔费米子是德国科学家威尔曼•外尔在1929年预言的。他提出，无“质量”（即线性色散）电子可以分为左旋和右旋两种不同“手性”，这种无“质量”的电子被命名为“外尔费米子”。不过，科学家们始终无法在实验中观测到这种粒子。
2012年和2013年，物理所的理论研究团队首次预言在狄拉克半金属中或许可以发现无“质量”的电子。2015年，物理所陈根富小组制备出具有原子级平整表面的大块TaAs晶体，随后该研究所的丁洪小组利用上海光源同步辐射光束照射TaAs晶体，使得外尔费米子第一次展现在科学家面前。
科学家们认为，外尔费米子的半金属能实现低能耗电子传输，有望解决当前电子器件小型化和多功能化所面临的能耗问题。同时，外尔费米子也受到对称性的保护，可以用来实现高容错的拓扑量子计算。■
首次发现相对论性高速喷流新模式
中国科学院国家天文台研究员刘继峰带领团队在国际上首次从超软X射线源发现相对论性高速喷流，打破了天文学界以往的认知，揭示了黑洞吸积和喷流形成的新方式。该成果发表于《自然》杂志。审稿人认为，此项工作是2015年度本领域内最重要的五大发现之一。
刘继峰团队利用世界上最大的光学望远镜——美国的Keck十米望远镜和西班牙的GTC十米望远镜，对处于千万光年之外的涡旋星系M81中的极亮超软X射线源进行了光谱监测研究，首次发现其光谱中有随时间变化的蓝移的氢元素的放射线，揭示了该系统中存在速度达到20%光速的相对论性重子喷流。这种相对论性喷流，不可能由白矮星产生，也不可能由带有超软X射线辐射的中等质量黑洞产生，因此确认了此天体其实是处于超软X射线谱态的恒星级黑洞。
这项研究为天文学家理解黑洞吸积与喷流形成打开了一扇新的窗口。“在超软X射线源中发现相对论性喷流出乎所有人的意料，这改写了我们对超软X射线源的认知和喷流形成的认知。”美国科学院院士、英国皇家学会院士、哈佛大学教授Remash Narayan评论说。■
利用超强超短激光成功获得反物质
中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室利用超强超短激光，成功产生反物质——超快正电子源，这一发现将在材料的无损探测、激光驱动正负电子对撞机、癌症诊断等领域具有重大应用。相关研究成果2016年3月发表于《等离子体物理》杂志。
长期以来，科学家们一直在探索利用激光产生反物质的有效方法。为了获得反物质，上海光机所经历了长达15年的持续研究。此次反物质的获得经历了一个相对复杂的过程和优化：首先将飞秒拍瓦激光装置与高压气体靶进行相互作用，产生大量高能电子；高能电子再和高原子序数材料靶（如铜、金）相互作用，产生高强度伽马射线；伽马射线再和高原子序数原子核作用产生正负电子对。正电子谱仪是获得反物质的“功臣”，经过特殊设计的正电子谱仪成功解决了伽马射线带来的噪声问题，利用正负电子在磁场中的不同偏转特性，最终成功观测到了正电子。
成功获得反物质对于激光驱动正负电子对撞机等具有重要意义，由于其脉宽只有飞秒量级，可使探测的时间分辨大大提高，进而研究物质性质的超快演化。■
首次揭示水的核量子效应
中国科学院院士、北京大学教授王恩哥和北京大学教授江颖领导的课题组在国际上首次揭示了水的核量子效应，从全新的角度诠释了水的奥秘。相关研究成果于2016年4月15日刊发在《科学》杂志上。
水的结构之所以如此复杂，一个重要原因是源于水分子之间的氢键相互作用。由于氢原子核质量很小，其量子特性不可忽视，因此氢键同时也包含一定的量子成分。氢核的量子效应对氢键相互作用有多大影响？或者说氢键的量子成分究竟有多大？这个问题对理解水/冰的微观结构和反常物性至关重要。
课题组基于扫描隧道显微镜研发了一套针尖增强的非弹性电子隧穿谱技术，在国际上首次获得了单个水分子的高分辨振动谱，并由此测得单个氢键的强度。通过可控的同位素替换实验，并结合全量子化计算模拟，他们发现氢键的量子成分可远大于室温下的热能，表明氢核的量子效应不只是对经典相互作用的简单修正，其足以对水的结构和性质产生显著的影响。进一步分析表明，氢核的非简谐零点运动会弱化弱氢键，强化强氢键，这个物理现象对于各种氢键体系具有相当的普适性，澄清了学术界长期争论的氢键的量子本质。■
破解光合作用超分子结构之谜
光合作用是地球上生命体赖以生存的基础，对它的科学研究已持续了两百多年，但仍有很多未解之谜。中国科学院生物物理研究所的研究团队在光合作用研究中获得重要突破，在国际上率先解析了高等植物菠菜光合作用超级复合物的高分辨率三维结构。该项研究工作发表于2016年5月出版的《自然》杂志上。
近年来，国际上围绕蓝细菌、藻类和高等植物光合作用的结构生物学研究陆续获得了一系列进展，但关于植物光系统Ⅱ的结构研究却相对滞后，这被认为是光合作用研究领域最后一个也是最受关注的超级复合物结构。
研究团队利用最新的单颗粒冷冻电镜技术，在3.2埃（1埃＝0.1纳米）分辨率下解析了高等植物菠菜光系统Ⅱ—捕光复合物Ⅱ超级膜蛋白复合体的三维结构，率先破解了光合作用超分子结构之谜，获得了其与外周捕光天线之间相互装配原理和能量传递过程相关的重要结构信息，为实现光能向清洁能源氢气转换提供了具有启示性的方案。■
我国科学家领衔绘制全新人类脑图谱
中国科学院自动化研究所脑网络组研究中心蒋田仔团队联合国内外其他团队成功绘制出全新的人类脑图谱，即脑网络组图谱，成果在线发表于《大脑皮层》杂志。2016年6月，该图谱正式上线，供国内外科技人员和临床医生免费使用。
研究团队突破了100多年来传统脑图谱绘制的瓶颈，提出利用脑结构和功能连接信息绘制脑网络组图谱的全新思路和方法。通过6年的努力，团队利用活体磁共振成像，成功绘制出全新的脑网络组图谱。
该图谱包括246个精细脑区亚区，比传统的Brodmann图谱精细4至5倍，具有客观精准的边界定位，第一次建立了宏观尺度上的活体全脑连接图谱。脑网络组图谱为理解人脑结构和功能开辟了新途径，并对未来类脑智能系统的设计提供了重要启示，也将为神经及精神疾病的新一代诊断、治疗技术奠定基础，并为脑中风损伤区域及癫痫病灶的定位、神经外科手术中的脑胶质瘤精确切除等提供帮助，提高诊断质量与治疗效果。■
世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机诞生
多粒子纠缠的操纵作为量子计算的技术制高点，一直是国际角逐的焦点。在光子体系，中国科学技术大学潘建伟团队在多光子纠缠领域始终保持国际领先水平，并于2016年底把纪录刷新至十光子纠缠。
2017年5月3日，潘建伟科研团队宣布成功构建光量子计算机。团队利用自主发展的综合性能国际最优的量子点单光子源，通过电控可编程的光量子线路，构建了针对多光子“玻色取样”任务的光量子计算原型机。实验测试表明，该原型机的取样速度比国际同行类似的实验加快至少24000倍；通过和经典算法比较，也比人类历史上第一台电子管计算机和第一台晶体管计算机运行速度快10倍至100倍。该研究成果以长文形式在线发表于《自然光子学》杂志。
这是历史上第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子模拟机，为最终实现超越经典计算能力的量子计算这一国际学术界称之为“量子称霸”的目标奠定了坚实的基础。■
两只克隆猴在我国诞生
非人灵长类动物是与人类亲缘关系最近的动物。因可短期内批量生产遗传背景一致且无嵌合现象的动物模型，体细胞克隆技术被认为是构建非人灵长类基因修饰动物模型的最佳方法。
2018年1月25日，克隆猴“中中”和“华华”登上《细胞》杂志封面，这意味着我国科学家成功突破了现有技术无法克隆灵长类动物的世界难题。中国科学院神经科学研究所/脑科学与智能技术卓越创新中心孙强和刘真研究团队经过5年攻关，最终成功得到了两只健康存活的体细胞克隆猴。
研究发现，联合使用组蛋白H3K9me3去甲基酶Kdm4d和TSA，可以显著提升克隆胚胎的体外囊胚发育率及移植后受体的怀孕率。在此基础上，研究人员用胎猴成纤维细胞作为供体细胞进行核移植，并将克隆胚胎移植到代孕受体后，成功得到两只健康存活克隆猴；而利用卵丘颗粒细胞为供体细胞核的核移植实验中，虽然也得到了两只足月出生个体，但这两只猴很快夭折。
遗传分析证实，上述两种情况产生的克隆猴的核DNA源自供体细胞，而线粒体DNA源自卵母细胞供体猴。体细胞克隆猴的成功是该领域从无到有的突破，该技术将为非人灵长类基因编辑操作提供更为便利和精准的技术手段。■
创建首例人造单染色体真核细胞
真核生物细胞一般含有多条染色体，如人有46条、小鼠40条、果蝇8条、水稻24条等。这些天然进化的真核生物染色体数目是否可人为改变、是否可以人造一个具有正常功能的单染色体真核生物，是生命科学领域的前沿科学问题。
2018年，中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所覃重军和薛小莉研究组、赵国屏研究组、生物化学与细胞生物学研究所周金秋研究组、武汉菲沙基因信息有限公司等团队合作，以天然含有16条染色体的真核生物酿酒酵母为研究材料，采用合成生物学“工程化”方法和高效使能技术，在国际上首次人工创建了自然界不存在的简约化的生命——仅含单条染色体的真核细胞。该研究表明天然复杂生命体系可以通过人工干预变简约，甚至可以人工创造全新的自然界不存在的生命。
该研究成果不仅颠覆了染色体三维结构决定基因时空表达的传统观念，还建立了原核生物与真核生物之间基因组进化的桥梁，为人类对生命本质的研究开辟了新方向。■
首次在超导块体中发现马约拉纳任意子
中国科学院物理研究所高鸿钧院士与丁洪研究员领导的一个联合研究团队首次在铁基超导体中观察到了马约拉纳零能模，即马约拉纳任意子。研究成果2018年8月16日发表于《科学》杂志。
中国联合研究团队利用高鸿钧研究组自主设计、集成研制的超高真空—极低温—强磁场—扫描隧道显微镜—分子束外延—低能电子衍射联合系统，对美国布鲁克海文国家实验室顾根大研究组提供的高质量超导块样品展开了系列探索，并与美国麻省理工学院的傅亮进行了理论合作。研究发现，在该样品的磁通涡旋中心“点”存在不随空间位置劈裂的零能束缚态，变温以及变磁场的数据最终确定位于磁通涡旋中心的束缚态即为马约拉纳任意子，并且不与其他的准粒子态混合，马约拉纳成分纯度很高。进一步实验发现，该马约拉纳任意子在6T（特斯拉）以下磁场以及4K（零下269.15℃）以下温度都能稳定存在。
这是第一次在单一块体超导材料中发现高纯度的马约拉纳任意子，能在相对高的温度下实现，不容易受到其他准粒子的干扰。同时，这也预示着在其他的多能带高温超导体里也可能存在马约拉纳任意子，从而为马约拉纳物理研究开辟了新的方向。■
青藏高原发现丹尼索瓦人
丹尼索瓦人是一支已经消失的神秘古人类，过去对他们的了解主要基于仅出土于西伯利亚丹尼索瓦洞的少量化石碎片以及保存在其中的高质量的古基因信息。遗传学研究显示，丹尼索瓦人对一些现代低海拔东亚人群和高海拔现代藏族人群有基因贡献，对现代藏族人群的高海拔环境适应有重要意义。
2019年，中国科学院青藏高原研究所陈发虎研究组、兰州大学张东菊研究组联合德国马普学会进化人类学研究所Jean-Jacques Hublin研究组等合作者，报道了一个利用古蛋白质分析方法鉴定为丹尼索瓦人的下颌骨，该下颌骨来自于中国甘肃省夏河县的白石崖溶洞。研究人员通过对化石上附着的碳酸盐结核进行铀系法测年，确定下颌骨至少有16万年的历史。该化石标本是丹尼索瓦洞以外发现的首件丹尼索瓦人化石证据，对标本的全面分析也为丹尼索瓦人研究提供了丰富的体质形态学信息，包括下颌和牙齿形态等信息。
该项研究表明，早在现代智人到来之前，丹尼索瓦人在中更新世晚期就已经生活在青藏高原高海拔地区，并成功地适应了高寒缺氧环境。■
发现迄今最大恒星级黑洞
2016年秋季开始，中国科学院国家天文台领导的研究团队利用我国自主研制的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜（LAMOST）开展双星课题研究，历时两年监测了一个小天区内3000多颗恒星。结果发现，在一个X射线辐射宁静的双星系统（LB-1）中，一颗8倍太阳质量的蓝色恒星围绕一个“看不见的天体”做着周期性运动。不同寻常的光谱特征表明，这个“看不见的天体”极有可能是一个黑洞。
2019年11月28日，《自然》杂志发布了中国科学院国家天文台刘继峰、张昊彤研究团队的一项重大发现。依托LAMOST，研究团队发现了一个迄今为止质量最大的恒星级黑洞，并提供了一种利用LAMOST巡天优势寻找黑洞的新方法。这个70倍太阳质量的黑洞远超理论预言的质量上限，颠覆了人们对恒星级黑洞形成的认知，有望推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。
在发现迄今质量最大恒星级黑洞的基础上，研究团队的下一步工作是实施“黑洞猎手”计划，未来预计发现并测量近百个黑洞。■
稀土离子实现多模式量子中继及1小时光存储
2021年，中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、周宗权研究组基于稀土离子掺杂晶体研制出高性能的固态量子存储器，实现了一种基于吸收型存储器的多模式量子中继，并成功将光存储时间提升至1小时。
研究组基于参量下转换技术制备了两套纠缠光源，并基于独创的“三明治”结构制备了两套固态量子存储器。每对纠缠光子中的一个光子被“三明治”型量子存储器所存储，而每对纠缠光子中的另一个光子被同时传输至中间站点进行贝尔态检验。一次成功的贝尔态检验会完成一次成功的纠缠交换操作，使得两个空间分离3.5米的固态量子存储器之间建立起量子纠缠，尽管这两个存储器没有发生任何直接的相互作用。量子中继基本链路的演示实验中实现了4个时间模式的复用，使得纠缠分发的速率提升了4倍，实测的纠缠保真度达到了80.4%。该工作证实了基于吸收型量子存储构建量子中继的可行性，并首次展现了多模式复用在量子中继中的加速作用。
此外，研究组结合理论预言，首次实验测定掺铕硅酸钇晶体在ZEFOZ磁场下的完整能级结构。在此基础上，研究组结合原子频率梳（AFC）量子存储方案以及ZEFOZ技术，成功实现了光信号的长寿命存储。实验中光信号首先被AFC吸收成为铕离子系统的光学激发，接着被转移为自旋激发，经历一系列自旋保护脉冲操作后，最终被读取为光信号，总存储时间长达1小时。■
观测到迄今最高能量光子
中国科学院高能物理研究所牵头的国际合作组依托国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站（LHAASO），在银河系内发现12个超高能宇宙线加速器，并记录到能量达1.4 PeV电子伏（PeV=千万亿）的伽马光子，这是人类迄今观测到的最高能量光子，突破了人类对银河系粒子加速的传统认知，揭示了银河系内普遍存在能够把粒子加速到超过1PeV的宇宙线加速器，开启了“超高能伽马天文”观测时代。相关研究成果2021年5月17日发表于《自然》杂志。
研究团队此次发现的能量超过1PeV的光子，来自天鹅座内非常活跃的恒星形成区，此外还发现12个稳定伽马射线源，辐射能量一直延伸到1PeV附近。此次发现表明，年轻的大质量星团、超新星遗迹、脉冲星风云等，是银河系超高能宇宙线起源的最佳候选天体。同时，此次发现也要求科学家重新认识银河系高能粒子的产生和传播机制，探索极端天体现象及其相关的物理过程，并在极端条件下检验基本物理规律。■
实现二氧化碳到淀粉的从头合成
中国科学院天津工业生物技术研究所研究人员提出了一种颠覆性的淀粉制备方法，不依赖植物光合作用，以二氧化碳、电解产生的氢气为原料，成功生产出淀粉，在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。相关研究成果2021年9月24日在线发表于《科学》杂志。
研究团队采用了一种类似“搭积木”的方式，联合中国科学院大连化学物理研究所，利用化学催化剂将高浓度二氧化碳在高密度氢能作用下还原成碳一化合物，然后通过设计构建碳一聚合新酶，依据化学聚糖反应原理将碳一化合物聚合成碳三化合物，最后通过生物途径优化，将碳三化合物又聚合成碳六化合物，再进一步合成直链和支链淀粉。这一人工途径的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，向实现设计自然、超越自然的目标迈进了一大步，为创建新功能的生物系统提供了新的科学基础。
如果未来该系统过程成本能够降低到与农业种植相比具有经济可行性，将会节约90%以上的耕地和淡水资源，避免农药、化肥等对环境的负面影响，提高人类粮食安全水平，促进碳中和的生物经济发展，推动形成可持续的生物基社会。■
嫦娥五号样品重要研究成果先后出炉
2021年10月19日，中国科学院发布嫦娥五号月球科研样品最新研究成果。在最新的研究中，科研人员利用超高空间分辨率铀—铅（U-Pb）定年技术，对嫦娥五号月球样品玄武岩岩屑中50余颗富铀矿物（斜锆石、钙钛锆石、静海石）进行分析，确定玄武岩形成年龄为20.30±0.04亿年，表明月球直到20亿年前仍存在岩浆活动，比以往月球样品限定的岩浆活动延长了约8亿年。嫦娥五号月球样品玄武岩的精确年代学数据为撞击坑统计定年曲线提供了关键锚点，将大幅提高内太阳系星体表面的撞击坑统计定年精度。
研究显示，嫦娥五号月球样品玄武岩初始熔融时并没有卷入富集钾、稀土元素、磷的“克里普物质”，嫦娥五号月球样品富集“克里普物质”的特征，是由于岩浆后期经过大量矿物结晶固化后，残余部分富集而来。这一结果排除了嫦娥五号着陆区岩石的初始岩浆熔融热源来自放射性生热元素的主流假说，揭示了月球晚期岩浆活动过程。此次研究采用的超高空间分辨率的定年和同位素分析技术处于国际领先水平，为珍贵地外样品年代学等研究提供了新的技术方法。■