年度研究领导者
黛博拉·S·金 (Deborah S. Jin)
联合实验室天体物理研究所研究员，科罗拉多州博尔德市
创造了一种新型物质状态，未来可能改进超导体。
超导线以完美的效率传输电力，因为内部的电子克服了同性电荷的自然互斥，并成对结合。然后，这些电子对可以无阻力地滑行。然而，电子对如何形成以及为何如此容易移动仍然不清楚，材料科学家渴望找到一种研究这种现象的方法。去年，黛博拉·金和她的同事找到了一种方法，可以将电子所属的难以相处的粒子类别中的其他成员配对起来，从而可能提供了完美的试验平台：费米子。
费米子及其对应的玻色子构成了宇宙中所有已知的物质。这两种粒子在一种称为自旋的量子力学性质上有所不同，玻色子的自旋是整数，而费米子的自旋是整数加二分之一。由于这种差异，在超低温下，通常只有玻色子可以凝聚成阿尔伯特·爱因斯坦和萨特延德拉·纳特·玻色于 1924 年预测的奇特的新物质形态。物理学家于 1995 年在 JILA（金的研究所所在地）首次合成了这种玻色-爱因斯坦凝聚态。要制造等效的费米凝聚态，需要将不情愿的费米子配对，使其组合自旋为整数。
其他物理学家使用复杂的激光装置都失败了，但金敢于采取更简单的方法，减少激光器的数量，只使用一种费米子同位素（钾 40），而不是两种。2003 年 11 月，她和她的团队制造了一种分子凝聚态，其中配对的费米子是化学结合的——这是实现目标的重要里程碑，但仍然离目标差一步。几周后，金实现了向真正费米凝聚态的最终飞跃，其中配对但未结合的费米子与超导体中的配对电子相当。尽管费米子无法直接成像，但金设计了一种方法来拍摄一种图案，该图案揭示了凝聚态的费米子状态。
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室温超导体不太可能从金的研究中一夜之间实现，但未来超导体的许多改进可能会由此产生。早期的玻色-爱因斯坦凝聚态的制造者已经因其成就获得了诺贝尔奖，而金似乎也肯定最终会获得同样的荣誉。
航空航天
喷气推进实验室
加利福尼亚州帕萨迪纳市
展示了机器人探索行星的力量。
喷气推进实验室今年在太阳系中巡视的众多探测器极大地增进了我们对行星的了解。1 月，双胞胎火星探测器“勇气号”和“机遇号”在红色星球的相反两侧着陆，传回的图像首次提供了无可辩驳的证据，证明火星上曾经存在海洋，并提高了发现化石甚至生命的几率。与此同时，“星尘号”宇宙飞船在收集了彗星样本后开始返回地球，以揭示冰冷流浪者的奥秘。6 月，“卡西尼号”宇宙飞船成功抵达土星。到目前为止，“卡西尼号”在那里发现了两颗新的卫星，科学家们希望该任务能够告诉他们的关于土星环的信息也将扩展对早期太阳周围气体和尘埃盘的理解。
农业
约瑟夫·埃克 (Joseph Ecker)
植物生物学教授，索尔克生物研究所，加利福尼亚州拉霍亚
在植物基因组学方面做出了开创性的贡献。
未来农业的改进取决于确定植物基因的功能。2003 年，约瑟夫·埃克和他的团队通过鉴定拟南芥乙烯途径中的一些关键信号成分，做出了重要贡献，拟南芥是一种常用于遗传研究的模型植物。该团队表明，一种负责开启基因的转录因子解释了在乙烯存在下促使水果成熟的反应。此外，埃克是拟南芥基因组测序的早期倡导者和参与者，他发表了一项优雅的实验，使用一组基因芯片鉴定了植物中的大部分转录本或遗传密码。通过在基因组中产生精心索引的突变，他和他的同事彻底改变了植物生物学，使研究人员能够轻松确定特定基因的功能，只需禁用或移除它即可。由于他的远见卓识，现在可以通过访问公共存储库来获得大多数拟南芥基因的突变体。
汽车
L·克雷格·戴维斯 (L. Craig Davis)
密歇根大学安娜堡分校物理学兼职教授
发现汽车的自动间距将有助于消除交通拥堵。
正如您一直怀疑的那样，如果人们能够以更高的精度和意识驾驶，今天拥堵的高速公路可以更好地容纳交通。这是克雷格·戴维斯的结论，他使用计算机模拟表明，如果道路上只有五分之一的车辆使用自适应巡航控制 (ACC) 技术（该技术使用雷达来保持与另一辆汽车或卡车的安全距离），就可以避免许多交通拥堵。戴维斯在 2004 年 6 月的《物理评论 E》中断言，车辆之间需要额外的间距来弥补人类迟缓的反应时间。当一位驾驶员猛踩刹车时，后面的车辆通常也必须这样做。因此，血肉之躯的驾驶员过度制动可能会向后传播，有时会导致交通堵塞。更平稳的道路操作，例如 ACC（几乎瞬间启动制动）产生的操作，将在很大程度上防止此类高速公路拥堵。
生物医学工程
米格尔·A·L·尼科莱利斯 (Miguel A. L. Nicolelis)
神经生物学医学工程以及心理学和脑科学教授，杜克大学神经工程中心联合主任
使猴子的大脑电波能够控制机械臂。
猕猴正在为肢体瘫痪的人们开辟更美好的未来。在米格尔·尼科莱利斯的实验室里，植入猴子大脑的电极使灵长类动物能够静止不动，但仍然可以用机械臂抓取物体。为了完成这项壮举，尼科莱利斯和他的同事首先绘制了猴子用操纵杆操纵机械臂时大脑活跃区域的地图；这些信息显示了特定运动和大脑信号之间的对应关系。然后，他们断开了操纵杆与机械臂的连接。电极和机械臂之间剩余的连接使猴子能够仅通过思考来移动手臂。这项工作预示着有一天残疾人可能仅凭思想就能操纵事物。
化学品和材料
约瑟夫·潘 (Joseph Poon) 和 加里·J·希夫莱特 (Gary J. Shiflet)
潘，物理学教授；希夫莱特，材料科学教授，弗吉尼亚大学
创造了非晶态钢，可以加强摩天大楼和穿甲弹。
传统钢铁的强度受到缺陷的限制，这些缺陷不可避免地会在其原子的晶体结构中弹出。约瑟夫·潘和加里·希夫莱特及其同事设计了非晶态钢，由于其分子键是随机排列的，因此没有这些缺陷。由此产生的金属强度是其晶体对应物的三倍，并且具有更好的耐腐蚀性。尽管科学家过去曾创造过非晶态合金，但潘和他的团队在 2004 年 5 月的《材料研究杂志》上报道了一种批量制造非晶态钢的方法。秘诀是添加元素钇，它可以阻止熔融钢凝固时结晶。然后可以将金属铸造成模具或以与塑料相同的方式成型。另外，橡树岭国家实验室的研究人员也报告了批量制造非晶态钢。有趣的是，这两种钢都是非磁性的，这提高了美国海军希望在潜艇和其他可能避开磁传感器的船体中使用这种材料的希望。
通信
尼尔·格申菲尔德 (Neil Gershenfeld)
麻省理工学院比特与原子中心主任
设计了用于连接“智能”家居中硬件的通信协议。
您的闹钟有一天可能会提醒您的咖啡壶开始煮咖啡，而“智能”花园洒水器可以在线查看天气预报。尼尔·格申菲尔德通过他的 Internet Zero 协议使这些梦想离现实更近了一步，该协议是家庭周围放置的微型联网设备之间高效通信的标准。实现此协议的微控制器制造成本约为 1 美元，每个微控制器都保存自己的数据，无需昂贵且可能不可靠的中央服务器。虽然其他人开发的类似系统强调速度，但格申菲尔德的系统通过将信号直接转换为互联网协议来选择通用性，这一步骤简化了数据传输。未来，Internet Zero 可能允许您通过 PDA 或手机监控和控制您的家。
计算
马里奥·帕尼西亚 (Mario Paniccia)
英特尔公司光子技术实验室主任，加利福尼亚州圣克拉拉市
为高速光开关构建了低成本、批量生产的硅电路。
能够快速切换光线的电路一直局限于难以制造且价格昂贵的异质半导体，这使得这些组件对于主要光纤网络以外的应用来说成本太高。但在 2 月，由马里奥·帕尼西亚领导的英特尔团队推出了一种由普通硅制成的调制器，该调制器每秒可以处理 1 吉比特的数据，比以前的实验设备快 50 倍。该调制器将光束分成两个相位，这两个相位要么相互抵消，要么相互增强，从而产生电子数据的开和关脉冲。帕尼西亚此后使用了原型在两台计算机之间发送高清视频数据。此外，他在英特尔的高产量 CMOS 制造线上制造了调制器，该生产线大量生产该公司的微处理器。硅和批量生产的结合有望带来比当前光开关成本低得多的产品。英特尔表示，该技术可能会导致公司数据中心服务器之间、个人计算机和服务器之间，甚至最终 PC 内部芯片之间实现更快的连接。
国防
托马斯·G·吞达特 (Thomas G. Thundat) 和 杰西·亚当斯 (Jesse Adams)
吞达特，橡树岭国家实验室纳米尺度科学和设备小组高级研究科学家和负责人；亚当斯，内华达大学里诺分校机械工程助理教授
开发了微型炸弹探测器。
嗅弹犬和质谱仪化学分析仪已成为机场的常见景象，但安全专家长期以来一直渴望更小、更便宜的探测器，这些探测器不需要用饼干来哄骗。去年，由物理学家托马斯·吞达特和机械工程师杰西·亚当斯领导的一个团队展示了一种新的 TNT 探测方案，乍一看似乎是一个相当糟糕的主意：将可疑炸药加热到 1,000 摄氏度，看看它是否爆炸。他们的传感器由一个微小的悬臂梁组成，长约 200 微米——就像跳蚤马戏团中的跳板。空气中飘散的 TNT 分子粘附在悬臂梁上，产生弯曲它的应力。然后，电加热器引爆炸药，释放应力，使悬臂梁弹回其起始位置。悬臂梁的压电材料在弯曲时会产生独特的电压模式。尽管爆炸会释放出一缕烟雾，但悬臂梁完好无损。原型机可以拾取少至 70 皮克的 TNT，使其与狗和现有设备一样灵敏。当在悬臂梁上添加薄涂层时，它们可以适应于检测塑料炸药甚至疾病蛋白质。
经济发展
杰克·凯勒 (Jack Keller)
Keller-Bliesner Enterprises 创始人兼首席执行官，犹他州洛根市，以及国际开发企业董事会成员，科罗拉多州莱克伍德市
设计了小型灌溉和节水系统。
没有水，庄稼就无法生长，发展中国家的小农户买不起大型企业使用的高成本、复杂的灌溉系统。国际开发企业是一个致力于帮助小土地所有者提高农业生产率的非营利组织，今年早些时候开始实地测试杰克·凯勒设计的经济实惠的新型洒水器和蓄水系统。凯勒创新的蓄水罐可容纳 10,000 升水，成本仅为 40 美元，他的滴灌和微喷灌系统每平方米的补水成本仅为 5 美分。使用这些水管理工具，小农户可以用更少的劳动时间提高产量。这种简单的措施使他们能够出售剩余的作物，并有助于减轻贫困。凯勒设计的其他系统已在 50 多个国家/地区实施。
能源
兰尼·D·施密特 (Lanny D. Schmidt)
明尼苏达大学化学工程校董教授
开发了第一个从可再生燃料生产氢气的化学反应器。
氢气一直被吹捧为未来的清洁能源，但要实现这一美好的前景，科学家们首先必须克服许多挑战。其中最主要的是从石化产品、水或其他来源中提取氢气需要能量——这些能量很可能以二氧化碳排放或核废料副产品的环境代价为代价。氢气的运输和储存也是有问题的。明尼苏达大学的研究人员组成的一个团队由兰尼·施密特领导，他们在今年 2 月的《科学》杂志上提出了一种通过化学催化从乙醇生产氢气的方法，该方法几乎不需要额外能量。可再生乙醇虽然生产仍然是能源密集型的，但相对容易从玉米等植物材料中的纤维素中蒸馏出来，并且可以轻松运输和储存。研究人员看到了他们的发明在远离电网的偏远地区的早期用途，在这些地区，安装新的电力线是不可行的。
环境
加文·A·施密特 (Gavin A. Schmidt) 和 德鲁·T·辛德尔 (Drew T. Shindell)
美国宇航局戈达德空间研究所
回顾数百万年前，寻找全球变暖的线索。
随着研究人员探索人类活动对全球气候的影响，他们正在转向地球的过去，以寻求宝贵的教训。全球变暖最极端的事件之一发生在约 5500 万年前，即古新世和始新世之间的过渡时期。在持续不到 10 万年的时间里，高纬度地区的平均气温上升了高达 7 摄氏度。《古海洋学》去年发表的一篇论文中，施密特和辛德尔表明，海底下方甲烷的大量喷发很可能导致了强烈的变暖。这一发现对未来的气候变化具有重要意义，因为由于水稻种植、牲畜饲养、煤矿开采和天然气生产的增加，大气中的甲烷含量在过去 200 年中增加了一倍。
成像
丹尼尔·鲁加 (Daniel Rugar)
IBM 阿尔马登研究中心纳米尺度研究经理，加利福尼亚州圣何塞
使 MRI 细节比以往任何时候都更清晰。
磁共振成像 (MRI) 深入人体内部的能力取决于其检测亚原子粒子自旋的能力。然而，即使是最好的基于传统 MRI 的显微镜也只能灵敏地检测到至少一万亿个核自旋的组，从而将分辨率限制为一微米。在 7 月 15 日的《自然》杂志上，丹尼尔·鲁加和他的同事报告称，他们检测到了单个电子的自旋，初步成像分辨率仅为 25 纳米。他们的技术将 MRI 与微型悬臂梁相结合，该悬臂梁灵敏到足以检测单个电子自旋施加的无穷小力。未来，鲁加希望拾取单个核自旋，其信号大约比电子弱 600 倍，从而为显微镜打开大门，从而产生具有原子细节的分子三维图像。
制造业
米哈·阿舍尔 (Micha Asscher)
耶路撒冷希伯来大学化学家
演示了如何在几乎任何东西上生长几乎任何东西的纳米结构。
在任何表面上组装导线和其他复杂的结构都可能很棘手，因为并非所有材料都能很好地结合在一起。如果将一种物质构建到另一种与其相互作用较弱的物质上，则顶层可能会结块。相反，相互作用强烈的材料对会结合得太紧，而无法编织成复杂的图案。5 月，米哈·阿舍尔和他的同事揭示了一种在几乎任何其他物质上铺设几乎任何物质图案的方法，用于新型纳米级器件，例如微电子和催化剂中使用的器件。他们的方法是在两种物质之间沉积一层惰性氙气——超冷至约 -250 摄氏度的固体。当加热这种“三明治”时，氙气蒸发，底层吸收顶层。研究人员表示，他们的方法可以制造出宽度小于 30 纳米但长度为毫米的导电线。
医疗诊断
弗朗西斯·巴拉尼 (Francis Barany)
康奈尔大学威尔医学院微生物学家
发明了用于快速检测癌症和感染的芯片。
导致癌症的突变可以改变多种基因，并且几乎与周围的正常 DNA 序列无法区分。弗朗西斯·巴拉尼正在创建快速识别突变的设备，以发现哪些突变会导致肿瘤，这种策略应该能够实现更有效的个体化癌症治疗。巴拉尼是发明关键技术的领导者，这些技术足够灵敏，可以在单个蛋白质或核苷酸（DNA 的组成部分）的水平上工作。基于巴拉尼专利的产品已由应用生物系统公司、塞雷拉诊断公司和新英格兰生物实验室开发。在过去一年中，他帮助启动了一个生物防御联盟，其中包括疾病控制与预防中心、联邦调查局和阿贡国家实验室，该联盟旨在开发快速、廉价和精确的基于基因的生物传感器，以检测生物战病原体。
医学生理学
彼得·G·舒尔茨 (Peter G. Schultz)
斯克里普斯研究所的有机化学家，加利福尼亚州拉霍亚
扩展了遗传密码的氨基酸库。
地球上几乎所有生命都经过基因编码，仅使用 20 种氨基酸来制造蛋白质，但罕见的例外情况也使用两种额外的氨基酸，硒代半胱氨酸和吡咯赖氨酸。这一生命事实提出了一个问题，即科学家是否可以重写遗传密码以创建蛋白质，这些蛋白质可以结合多年来发明的数百种合成氨基酸中的任何一种，并且可能具有新颖或优越的特性。在 2003 年 8 月 15 日的《科学》杂志上，彼得·舒尔茨和他的同事描述了他们如何改造酵母，使其产生五种这样的氨基酸并将它们编织成蛋白质。早些时候，舒尔茨和其他人已经对细菌进行了基因改造，以产生非天然氨基酸。但酵母是一种真核生物，具有类似于人类细胞的膜结合细胞核。该团队的成就为将相同的技术应用于更高级的生物打开了大门，从而有可能产生新的蛋白质药物。
医学治疗
尼娜·巴德瓦杰 (Nina Bhardwaj)
医学教授兼癌症疫苗项目主任，纽约大学医学院
在创建树突状细胞疫苗方面取得了进展。
树突状细胞在启动免疫系统中的关键作用使其具有作为治疗性疫苗的巨大潜力，可用于对抗癌症和病毒（如 HIV）。这些带刺细胞在体内的主要工作是向免疫系统的步兵（称为杀伤性 T 细胞）展示抗原——不必要的入侵者的独特片段——以供未来识别和攻击。尼娜·巴德瓦杰已经是世界领先的树突状细胞专家之一，她今年通过一系列关于细胞特性和行为的发现，显著推进了树突状细胞疫苗的前景。在这些发现中，巴德瓦杰阐明了树突状细胞用于识别入侵者和刺激 T 细胞的几种机制。她还展示了肿瘤细胞如何抑制树突状细胞，并在另一项研究中证明树突状细胞的活性似乎不会因丙型肝炎（HIV 患者常见的合并感染）而降低。她目前正在进行两项针对 HIV 患者的树突状细胞疫苗临床试验，并计划很快对黑色素瘤患者进行另一项疫苗试验。
纳米技术
埃胡德·夏皮罗 (Ehud Shapiro)
计算机科学和应用数学教授，以色列魏茨曼科学研究所
制造了一台 DNA 计算机，可以诊断癌症，然后释放药物来治疗它。
埃胡德·夏皮罗的研究小组以开发出世界上最小的生物计算设备而闻名，这是一台 2002 年生产的 DNA 计算机。现在，它组装了一台类似的计算机，如果满足正确的条件，它可以释放抗癌药物。计算机的第一部分由短 DNA 链组成，这些链与特定癌症中涉及的基因产生的四种信使 RNA 结合。第二个组件分析所有四个基因是否异常活跃。如果是，它会触发第三个组件释放治疗性 DNA 片段，该片段与癌症基因结合以抑制它。研究小组在试管中演示了该计算机，信使 RNA 水平由人工调节。尽管这种 DNA 计算机可能还需要几十年才能应用于患者，但它为这项技术提供了一个惊人的原理证明，该技术有一天可能用于生化传感和基因工程，以及医疗诊断和治疗。
公共卫生
理查德·J·韦比 (Richard J. Webby)
圣裘德儿童研究医院传染病系助理教员，田纳西州孟菲斯市
创建了快速制造流感疫苗的方法。
每年，医疗机构都建议人们接种流感疫苗——尽管疫苗有时供应短缺或最终证明针对的菌株不正确。这些问题部分源于疫苗制造商需要提前近一年预测哪些流感菌株可能大量存在以及准备多少剂疫苗。理查德·韦比采用了一种称为基于质粒的反向遗传学技术，可以更快地生产疫苗。该技术由威斯康星大学麦迪逊分校的吉弘河冈开发，并由圣裘德医院的罗伯特·韦伯斯特和埃里希·霍夫曼进一步改进。韦比在 2003 年初将这种实验知识转化为实际的禽流感疫苗菌株。该基础工作使他能够与美国疾病控制与预防中心和英国国家生物标准与控制研究所合作，快速为 2004 季节创建另一种禽流感菌株。该方法将获得疫苗株所需的正常时间缩短了两到三个月，这使疫苗制造商可以等待更长时间才能看到哪种流感株可能在下一个季节占主导地位，甚至可以在大流行期间生产疫苗。
机器人技术
何塞·德尔·R·米兰 (Jos¿ del R. Mill¿n)
瑞士马蒂尼 Dalle Molle 感知人工智能研究所研究员
在脑控轮椅方面取得了进展。
医生称之为“闭锁综合征”。数以万计的人完全瘫痪，成为纯粹思想的孤岛，能够感知世界、感受、做梦，但却无法交流。多年来，工程师和认知科学家一直致力于通过构建脑机接口来解锁他们。去年，由西班牙计算机科学家何塞·德尔·R·米兰领导的一个团队推出了一款软件，该软件最终使通过头皮电极获取脑电图读数成为现实。它可以判断一个人处于哪三种精神状态之一。每个用户选择产生可区分的脑电波模式的状态——例如，做算术或想象移动左手——并在几个小时的疗程中训练系统。然后，这些状态被用作“前进”、“左转”和“右转”命令。作为测试，志愿者操纵一个小机器人在一个房屋模型周围移动。他们设定了路线，而机器人本身则处理时间敏感的操作，例如避开障碍物。脑控轮椅仍然需要数年才能问世，但它不再是一个与现实脱节的想法。