年度研究領導者
黛博拉·S·金 (Deborah S. Jin)
聯合實驗室天體物理研究所研究員，科羅拉多州博爾德市
創造了一種新型物質狀態，未來可能改進超導體。
超導線以完美的效率傳輸電力，因為內部的電子克服了同性電荷的自然互斥，併成對結合。然後，這些電子對可以無阻力地滑行。然而，電子對如何形成以及為何如此容易移動仍然不清楚，材料科學家渴望找到一種研究這種現象的方法。去年，黛博拉·金和她的同事找到了一種方法，可以將電子所屬的難以相處的粒子類別中的其他成員配對起來，從而可能提供了完美的試驗平臺：費米子。
費米子及其對應的玻色子構成了宇宙中所有已知的物質。這兩種粒子在一種稱為自旋的量子力學性質上有所不同，玻色子的自旋是整數，而費米子的自旋是整數加二分之一。由於這種差異，在超低溫下，通常只有玻色子可以凝聚成阿爾伯特·愛因斯坦和薩特延德拉·納特·玻色於 1924 年預測的奇特的新物質形態。物理學家於 1995 年在 JILA（金的研究所所在地）首次合成了這種玻色-愛因斯坦凝聚態。要製造等效的費米凝聚態，需要將不情願的費米子配對，使其組合自旋為整數。
其他物理學家使用複雜的雷射裝置都失敗了，但金敢於採取更簡單的方法，減少雷射器的數量，只使用一種費米子同位素（鉀 40），而不是兩種。2003 年 11 月，她和她的團隊製造了一種分子凝聚態，其中配對的費米子是化學結合的——這是實現目標的重要里程碑，但仍然離目標差一步。幾周後，金實現了向真正費米凝聚態的最終飛躍，其中配對但未結合的費米子與超導體中的配對電子相當。儘管費米子無法直接成像，但金設計了一種方法來拍攝一種圖案，該圖案揭示了凝聚態的費米子狀態。
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室溫超導體不太可能從金的研究中一夜之間實現，但未來超導體的許多改進可能會由此產生。早期的玻色-愛因斯坦凝聚態的製造者已經因其成就獲得了諾貝爾獎，而金似乎也肯定最終會獲得同樣的榮譽。
航空航天
噴氣推進實驗室
加利福尼亞州帕薩迪納市
展示了機器人探索行星的力量。
噴氣推進實驗室今年在太陽系中巡視的眾多探測器極大地增進了我們對行星的瞭解。1 月，雙胞胎火星探測器“勇氣號”和“機遇號”在紅色星球的相反兩側著陸，傳回的影像首次提供了無可辯駁的證據，證明火星上曾經存在海洋，並提高了發現化石甚至生命的機率。與此同時，“星塵號”宇宙飛船在收集了彗星樣本後開始返回地球，以揭示冰冷流浪者的奧秘。6 月，“卡西尼號”宇宙飛船成功抵達土星。到目前為止，“卡西尼號”在那裡發現了兩顆新的衛星，科學家們希望該任務能夠告訴他們的關於土星環的資訊也將擴充套件對早期太陽周圍氣體和塵埃盤的理解。
農業
約瑟夫·埃克 (Joseph Ecker)
植物生物學教授，索爾克生物研究所，加利福尼亞州拉霍亞
在植物基因組學方面做出了開創性的貢獻。
未來農業的改進取決於確定植物基因的功能。2003 年，約瑟夫·埃克和他的團隊透過鑑定擬南芥乙烯途徑中的一些關鍵訊號成分，做出了重要貢獻，擬南芥是一種常用於遺傳研究的模型植物。該團隊表明，一種負責開啟基因的轉錄因子解釋了在乙烯存在下促使水果成熟的反應。此外，埃克是擬南芥基因組測序的早期倡導者和參與者，他發表了一項優雅的實驗，使用一組基因晶片鑑定了植物中的大部分轉錄本或遺傳密碼。透過在基因組中產生精心索引的突變，他和他的同事徹底改變了植物生物學，使研究人員能夠輕鬆確定特定基因的功能，只需停用或移除它即可。由於他的遠見卓識，現在可以透過訪問公共儲存庫來獲得大多數擬南芥基因的突變體。
汽車
L·克雷格·戴維斯 (L. Craig Davis)
密歇根大學安娜堡分校物理學兼職教授
發現汽車的自動間距將有助於消除交通擁堵。
正如您一直懷疑的那樣，如果人們能夠以更高的精度和意識駕駛，今天擁堵的高速公路可以更好地容納交通。這是克雷格·戴維斯的結論，他使用計算機模擬表明，如果道路上只有五分之一的車輛使用自適應巡航控制 (ACC) 技術（該技術使用雷達來保持與另一輛汽車或卡車的安全距離），就可以避免許多交通擁堵。戴維斯在 2004 年 6 月的《物理評論 E》中斷言，車輛之間需要額外的間距來彌補人類遲緩的反應時間。當一位駕駛員猛踩剎車時，後面的車輛通常也必須這樣做。因此，血肉之軀的駕駛員過度制動可能會向後傳播，有時會導致交通堵塞。更平穩的道路操作，例如 ACC（幾乎瞬間啟動制動）產生的操作，將在很大程度上防止此類高速公路擁堵。
生物醫學工程
米格爾·A·L·尼科萊利斯 (Miguel A. L. Nicolelis)
神經生物學醫學工程以及心理學和腦科學教授，杜克大學神經工程中心聯合主任
使猴子的大腦電波能夠控制機械臂。
獼猴正在為肢體癱瘓的人們開闢更美好的未來。在米格爾·尼科萊利斯的實驗室裡，植入猴子大腦的電極使靈長類動物能夠靜止不動，但仍然可以用機械臂抓取物體。為了完成這項壯舉，尼科萊利斯和他的同事首先繪製了猴子用操縱桿操縱機械臂時大腦活躍區域的地圖；這些資訊顯示了特定運動和大腦訊號之間的對應關係。然後，他們斷開了操縱桿與機械臂的連線。電極和機械臂之間剩餘的連線使猴子能夠僅透過思考來移動手臂。這項工作預示著有一天殘疾人可能僅憑思想就能操縱事物。
化學品和材料
約瑟夫·潘 (Joseph Poon) 和 加里·J·希夫萊特 (Gary J. Shiflet)
潘，物理學教授；希夫萊特，材料科學教授，弗吉尼亞大學
創造了非晶態鋼，可以加強摩天大樓和穿甲彈。
傳統鋼鐵的強度受到缺陷的限制，這些缺陷不可避免地會在其原子的晶體結構中彈出。約瑟夫·潘和加里·希夫萊特及其同事設計了非晶態鋼，由於其分子鍵是隨機排列的，因此沒有這些缺陷。由此產生的金屬強度是其晶體對應物的三倍，並且具有更好的耐腐蝕性。儘管科學家過去曾創造過非晶態合金，但潘和他的團隊在 2004 年 5 月的《材料研究雜誌》上報道了一種批次製造非晶態鋼的方法。秘訣是新增元素釔，它可以阻止熔融鋼凝固時結晶。然後可以將金屬鑄造成模具或以與塑膠相同的方式成型。另外，橡樹嶺國家實驗室的研究人員也報告了批次製造非晶態鋼。有趣的是，這兩種鋼都是非磁性的，這提高了美國海軍希望在潛艇和其他可能避開磁感測器的船體中使用這種材料的希望。
通訊
尼爾·格申菲爾德 (Neil Gershenfeld)
麻省理工學院位元與原子中心主任
設計了用於連線“智慧”家居中硬體的通訊協議。
您的鬧鐘有一天可能會提醒您的咖啡壺開始煮咖啡，而“智慧”花園灑水器可以線上檢視天氣預報。尼爾·格申菲爾德透過他的 Internet Zero 協議使這些夢想離現實更近了一步，該協議是家庭周圍放置的微型聯網裝置之間高效通訊的標準。實現此協議的微控制器製造成本約為 1 美元，每個微控制器都儲存自己的資料，無需昂貴且可能不可靠的中央伺服器。雖然其他人開發的類似系統強調速度，但格申菲爾德的系統透過將訊號直接轉換為網際網路協議來選擇通用性，這一步驟簡化了資料傳輸。未來，Internet Zero 可能允許您透過 PDA 或手機監控和控制您的家。
計算
馬里奧·帕尼西亞 (Mario Paniccia)
英特爾公司光子技術實驗室主任，加利福尼亞州聖克拉拉市
為高速光開關構建了低成本、批次生產的矽電路。
能夠快速切換光線的電路一直侷限於難以製造且價格昂貴的異質半導體，這使得這些元件對於主要光纖網路以外的應用來說成本太高。但在 2 月，由馬里奧·帕尼西亞領導的英特爾團隊推出了一種由普通矽製成的調製器，該調製器每秒可以處理 1 吉位元的資料，比以前的實驗裝置快 50 倍。該調製器將光束分成兩個相位，這兩個相位要麼相互抵消，要麼相互增強，從而產生電子資料的開和關脈衝。帕尼西亞此後使用了原型在兩臺計算機之間傳送高畫質影片資料。此外，他在英特爾的高產量 CMOS 製造線上製造了調製器，該生產線大量生產該公司的微處理器。矽和批次生產的結合有望帶來比當前光開關成本低得多的產品。英特爾表示，該技術可能會導致公司資料中心伺服器之間、個人計算機和伺服器之間，甚至最終 PC 內部晶片之間實現更快的連線。
國防
托馬斯·G·吞達特 (Thomas G. Thundat) 和 傑西·亞當斯 (Jesse Adams)
吞達特，橡樹嶺國家實驗室奈米尺度科學和裝置小組高階研究科學家和負責人；亞當斯，內華達大學裡諾分校機械工程助理教授
開發了微型炸彈探測器。
嗅彈犬和質譜儀化學分析儀已成為機場的常見景象，但安全專家長期以來一直渴望更小、更便宜的探測器，這些探測器不需要用餅乾來哄騙。去年，由物理學家托馬斯·吞達特和機械工程師傑西·亞當斯領導的一個團隊展示了一種新的 TNT 探測方案，乍一看似乎是一個相當糟糕的主意：將可疑炸藥加熱到 1,000 攝氏度，看看它是否爆炸。他們的感測器由一個微小的懸臂樑組成，長約 200 微米——就像跳蚤馬戲團中的跳板。空氣中飄散的 TNT 分子粘附在懸臂樑上，產生彎曲它的應力。然後，電加熱器引爆炸藥，釋放應力，使懸臂樑彈回其起始位置。懸臂樑的壓電材料在彎曲時會產生獨特的電壓模式。儘管爆炸會釋放出一縷煙霧，但懸臂樑完好無損。原型機可以拾取少至 70 皮克的 TNT，使其與狗和現有裝置一樣靈敏。當在懸臂樑上新增薄塗層時，它們可以適應於檢測塑膠炸藥甚至疾病蛋白質。
經濟發展
傑克·凱勒 (Jack Keller)
Keller-Bliesner Enterprises 創始人兼執行長，猶他州洛根市，以及國際開發企業董事會成員，科羅拉多州萊克伍德市
設計了小型灌溉和節水系統。
沒有水，莊稼就無法生長，發展中國家的小農戶買不起大型企業使用的高成本、複雜的灌溉系統。國際開發企業是一個致力於幫助小土地所有者提高農業生產率的非營利組織，今年早些時候開始實地測試傑克·凱勒設計的經濟實惠的新型灑水器和蓄水系統。凱勒創新的蓄水罐可容納 10,000 升水，成本僅為 40 美元，他的滴灌和微噴灌系統每平方米的補水成本僅為 5 美分。使用這些水管理工具，小農戶可以用更少的勞動時間提高產量。這種簡單的措施使他們能夠出售剩餘的作物，並有助於減輕貧困。凱勒設計的其他系統已在 50 多個國家/地區實施。
能源
蘭尼·D·施密特 (Lanny D. Schmidt)
明尼蘇達大學化學工程校董教授
開發了第一個從可再生燃料生產氫氣的化學反應器。
氫氣一直被吹捧為未來的清潔能源，但要實現這一美好的前景，科學家們首先必須克服許多挑戰。其中最主要的是從石化產品、水或其他來源中提取氫氣需要能量——這些能量很可能以二氧化碳排放或核廢料副產品的環境代價為代價。氫氣的運輸和儲存也是有問題的。明尼蘇達大學的研究人員組成的一個團隊由蘭尼·施密特領導，他們在今年 2 月的《科學》雜誌上提出了一種透過化學催化從乙醇生產氫氣的方法，該方法幾乎不需要額外能量。可再生乙醇雖然生產仍然是能源密集型的，但相對容易從玉米等植物材料中的纖維素中蒸餾出來，並且可以輕鬆運輸和儲存。研究人員看到了他們的發明在遠離電網的偏遠地區的早期用途，在這些地區，安裝新的電力線是不可行的。
環境
加文·A·施密特 (Gavin A. Schmidt) 和 德魯·T·辛德爾 (Drew T. Shindell)
美國宇航局戈達德空間研究所
回顧數百萬年前，尋找全球變暖的線索。
隨著研究人員探索人類活動對全球氣候的影響，他們正在轉向地球的過去，以尋求寶貴的教訓。全球變暖最極端的事件之一發生在約 5500 萬年前，即古新世和始新世之間的過渡時期。在持續不到 10 萬年的時間裡，高緯度地區的平均氣溫上升了高達 7 攝氏度。《古海洋學》去年發表的一篇論文中，施密特和辛德爾表明，海底下方甲烷的大量噴發很可能導致了強烈的變暖。這一發現對未來的氣候變化具有重要意義，因為由於水稻種植、牲畜飼養、煤礦開採和天然氣生產的增加，大氣中的甲烷含量在過去 200 年中增加了一倍。
成像
丹尼爾·魯加 (Daniel Rugar)
IBM 阿爾馬登研究中心奈米尺度研究經理，加利福尼亞州聖何塞
使 MRI 細節比以往任何時候都更清晰。
磁共振成像 (MRI) 深入人體內部的能力取決於其檢測亞原子粒子自旋的能力。然而，即使是最好的基於傳統 MRI 的顯微鏡也只能靈敏地檢測到至少一萬億個核自旋的組，從而將解析度限制為一微米。在 7 月 15 日的《自然》雜誌上，丹尼爾·魯加和他的同事報告稱，他們檢測到了單個電子的自旋，初步成像解析度僅為 25 奈米。他們的技術將 MRI 與微型懸臂樑相結合，該懸臂樑靈敏到足以檢測單個電子自旋施加的無窮小力。未來，魯加希望拾取單個核自旋，其訊號大約比電子弱 600 倍，從而為顯微鏡開啟大門，從而產生具有原子細節的分子三維影像。
製造業
米哈·阿舍爾 (Micha Asscher)
耶路撒冷希伯來大學化學家
演示瞭如何在幾乎任何東西上生長几乎任何東西的奈米結構。
在任何表面上組裝導線和其他複雜的結構都可能很棘手，因為並非所有材料都能很好地結合在一起。如果將一種物質構建到另一種與其相互作用較弱的物質上，則頂層可能會結塊。相反，相互作用強烈的材料對會結合得太緊，而無法編織成複雜的圖案。5 月，米哈·阿舍爾和他的同事揭示了一種在幾乎任何其他物質上鋪設幾乎任何物質圖案的方法，用於新型奈米級器件，例如微電子和催化劑中使用的器件。他們的方法是在兩種物質之間沉積一層惰性氙氣——超冷至約 -250 攝氏度的固體。當加熱這種“三明治”時，氙氣蒸發，底層吸收頂層。研究人員表示，他們的方法可以製造出寬度小於 30 奈米但長度為毫米的導電線。
醫療診斷
弗朗西斯·巴拉尼 (Francis Barany)
康奈爾大學威爾醫學院微生物學家
發明了用於快速檢測癌症和感染的晶片。
導致癌症的突變可以改變多種基因，並且幾乎與周圍的正常 DNA 序列無法區分。弗朗西斯·巴拉尼正在建立快速識別突變的裝置，以發現哪些突變會導致腫瘤，這種策略應該能夠實現更有效的個體化癌症治療。巴拉尼是發明關鍵技術的領導者，這些技術足夠靈敏，可以在單個蛋白質或核苷酸（DNA 的組成部分）的水平上工作。基於巴拉尼專利的產品已由應用生物系統公司、塞雷拉診斷公司和新英格蘭生物實驗室開發。在過去一年中，他幫助啟動了一個生物防禦聯盟，其中包括疾病控制與預防中心、聯邦調查局和阿貢國家實驗室，該聯盟旨在開發快速、廉價和精確的基於基因的生物感測器，以檢測生物戰病原體。
醫學生理學
彼得·G·舒爾茨 (Peter G. Schultz)
斯克裡普斯研究所的有機化學家，加利福尼亞州拉霍亞
擴充套件了遺傳密碼的氨基酸庫。
地球上幾乎所有生命都經過基因編碼，僅使用 20 種氨基酸來製造蛋白質，但罕見的例外情況也使用兩種額外的氨基酸，硒代半胱氨酸和吡咯賴氨酸。這一生命事實提出了一個問題，即科學家是否可以重寫遺傳密碼以建立蛋白質，這些蛋白質可以結合多年來發明的數百種合成氨基酸中的任何一種，並且可能具有新穎或優越的特性。在 2003 年 8 月 15 日的《科學》雜誌上，彼得·舒爾茨和他的同事描述了他們如何改造酵母，使其產生五種這樣的氨基酸並將它們編織成蛋白質。早些時候，舒爾茨和其他人已經對細菌進行了基因改造，以產生非天然氨基酸。但酵母是一種真核生物，具有類似於人類細胞的膜結合細胞核。該團隊的成就為將相同的技術應用於更高階的生物打開了大門，從而有可能產生新的蛋白質藥物。
醫學治療
尼娜·巴德瓦傑 (Nina Bhardwaj)
醫學教授兼癌症疫苗專案主任，紐約大學醫學院
在建立樹突狀細胞疫苗方面取得了進展。
樹突狀細胞在啟動免疫系統中的關鍵作用使其具有作為治療性疫苗的巨大潛力，可用於對抗癌症和病毒（如 HIV）。這些帶刺細胞在體內的主要工作是向免疫系統的步兵（稱為殺傷性 T 細胞）展示抗原——不必要的入侵者的獨特片段——以供未來識別和攻擊。尼娜·巴德瓦傑已經是世界領先的樹突狀細胞專家之一，她今年透過一系列關於細胞特性和行為的發現，顯著推進了樹突狀細胞疫苗的前景。在這些發現中，巴德瓦傑闡明瞭樹突狀細胞用於識別入侵者和刺激 T 細胞的幾種機制。她還展示了腫瘤細胞如何抑制樹突狀細胞，並在另一項研究中證明樹突狀細胞的活性似乎不會因丙型肝炎（HIV 患者常見的合併感染）而降低。她目前正在進行兩項針對 HIV 患者的樹突狀細胞疫苗臨床試驗，並計劃很快對黑色素瘤患者進行另一項疫苗試驗。
奈米技術
埃胡德·夏皮羅 (Ehud Shapiro)
計算機科學和應用數學教授，以色列魏茨曼科學研究所
製造了一臺 DNA 計算機，可以診斷癌症，然後釋放藥物來治療它。
埃胡德·夏皮羅的研究小組以開發出世界上最小的生物計算裝置而聞名，這是一臺 2002 年生產的 DNA 計算機。現在，它組裝了一臺類似的計算機，如果滿足正確的條件，它可以釋放抗癌藥物。計算機的第一部分由短 DNA 鏈組成，這些鏈與特定癌症中涉及的基因產生的四種信使 RNA 結合。第二個元件分析所有四個基因是否異常活躍。如果是，它會觸發第三個元件釋放治療性 DNA 片段，該片段與癌症基因結合以抑制它。研究小組在試管中演示了該計算機，信使 RNA 水平由人工調節。儘管這種 DNA 計算機可能還需要幾十年才能應用於患者，但它為這項技術提供了一個驚人的原理證明，該技術有一天可能用於生化感測和基因工程，以及醫療診斷和治療。
公共衛生
理查德·J·韋比 (Richard J. Webby)
聖裘德兒童研究醫院傳染病系助理教員，田納西州孟菲斯市
建立了快速製造流感疫苗的方法。
每年，醫療機構都建議人們接種流感疫苗——儘管疫苗有時供應短缺或最終證明針對的菌株不正確。這些問題部分源於疫苗製造商需要提前近一年預測哪些流感菌株可能大量存在以及準備多少劑疫苗。理查德·韋比採用了一種稱為基於質粒的反向遺傳學技術，可以更快地生產疫苗。該技術由威斯康星大學麥迪遜分校的吉弘河岡開發，並由聖裘德醫院的羅伯特·韋伯斯特和埃裡希·霍夫曼進一步改進。韋比在 2003 年初將這種實驗知識轉化為實際的禽流感疫苗菌株。該基礎工作使他能夠與美國疾病控制與預防中心和英國國家生物標準與控制研究所合作，快速為 2004 季節建立另一種禽流感菌株。該方法將獲得疫苗株所需的正常時間縮短了兩到三個月，這使疫苗製造商可以等待更長時間才能看到哪種流感株可能在下一個季節占主導地位，甚至可以在大流行期間生產疫苗。
機器人技術
何塞·德爾·R·米蘭 (Jos¿ del R. Mill¿n)
瑞士馬蒂尼 Dalle Molle 感知人工智慧研究所研究員
在腦控輪椅方面取得了進展。
醫生稱之為“閉鎖綜合徵”。數以萬計的人完全癱瘓，成為純粹思想的孤島，能夠感知世界、感受、做夢，但卻無法交流。多年來，工程師和認知科學家一直致力於透過構建腦機介面來解鎖他們。去年，由西班牙計算機科學家何塞·德爾·R·米蘭領導的一個團隊推出了一款軟體，該軟體最終使透過頭皮電極獲取腦電圖讀數成為現實。它可以判斷一個人處於哪三種精神狀態之一。每個使用者選擇產生可區分的腦電波模式的狀態——例如，做算術或想象移動左手——並在幾個小時的療程中訓練系統。然後，這些狀態被用作“前進”、“左轉”和“右轉”命令。作為測試，志願者操縱一個小機器人在一個房屋模型周圍移動。他們設定了路線，而機器人本身則處理時間敏感的操作，例如避開障礙物。腦控輪椅仍然需要數年才能問世，但它不再是一個與現實脫節的想法。