2024 诺贝尔物理学终极预测：凝聚态物理大热门，复旦教授吴咏时被提名
2024 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，就要在今天下午開(kāi)獎(jiǎng)了！
現(xiàn)在，網(wǎng)上已經(jīng)出了許多版本的獲獎(jiǎng)?lì)A(yù)測(cè)。凝聚態(tài)物理、量子計(jì)算、超材料等，都是奪獎(jiǎng)的熱門方向。
其中，凝聚態(tài)物理是從業(yè)人數(shù)最多的研究領(lǐng)域，也是傳統(tǒng)諾獎(jiǎng)大戶，因而成為業(yè)界呼聲最高的奪獎(jiǎng)方向。
目前已經(jīng)獲得較多預(yù)測(cè)提名的有 ——
凝聚態(tài)物理領(lǐng)域：Rafi Bistritzer、Pablo Jarillo-Herrero、Allan H. MacDonald
量子計(jì)算領(lǐng)域：David Deutsch、Peter W. Shor
任意子領(lǐng)域：Alexei Kitaev、Frank Wilzcek
分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)：Jon M. Leinaas、Jan Myrheim、吳詠時(shí)、Bertrand Halperin、Gwendal Fève
而發(fā)現(xiàn)了量子反?；魻栃?yīng)的薛其坤，和發(fā)現(xiàn)了中微子的第三種振蕩模式的王貽芳，也都是眾人期待的奪獎(jiǎng)熱門。
凝聚態(tài)和超材料呼聲極高
每次諾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)公布前夕，英國(guó)物理學(xué)會(huì)雜志《物理世界》都會(huì)進(jìn)行一番預(yù)測(cè)。在 2023 年，他們就創(chuàng)造了「三押兩中」的輝煌戰(zhàn)績(jī)。
今年，《物理世界》的預(yù)測(cè)是：凝聚態(tài)和超材料。
為了預(yù)測(cè)效果更好，他們創(chuàng)建了一個(gè)信息圖。
這個(gè)信息圖展示了歷屆諾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)的歷史，并且按照獲獎(jiǎng)工作的學(xué)科進(jìn)行了分類，包括天體物理、粒子物理、應(yīng)用物理、量子物理、凝聚態(tài)物理、經(jīng)典物理、原子分子和光物理七大類。
比如去年的諾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)，是由 Pierre Agostini、Ferenc Krausz 和 Anne L'Huillier 共同獲得的，表彰了他們?cè)谑褂冒⒚爰す饷}沖研究電子行為方面的開(kāi)創(chuàng)性工作。
在信息圖中，這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)被歸類為「原子、分子和光學(xué)」，它位于信息圖的頂部，通過(guò)深藍(lán)色線條與其類別相連。仔細(xì)看這幅信息圖，會(huì)發(fā)現(xiàn)信息量極大。
首先，它揭示了哪些物理學(xué)學(xué)科最受歷屆諾獎(jiǎng)委員會(huì)的關(guān)注。
此外，它還顯示出，某些學(xué)科的地位是忽冷忽熱的，但另一些學(xué)科在過(guò)去的 120 年里，一直在穩(wěn)定地產(chǎn)生諾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)摺?/p>
比如，量子物理學(xué)在 1910-1950 年代，曾經(jīng)深受諾獎(jiǎng)委員會(huì)的青睞，但隨后它完全失寵了，直到 2012 年才重新受到關(guān)注。
從信息圖中還可以看出，在大約 1990 年之后，學(xué)科之間往往存在著非常明顯的間隔。
據(jù)此，《物理世界》展開(kāi)分析，并且利用結(jié)果進(jìn)行了預(yù)測(cè) ——
今年的獲獎(jiǎng)?lì)I(lǐng)域，很可能就是凝聚態(tài)物理學(xué)！其中可能包括「魔角石墨烯」和「超材料」。
用信息圖預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性有多大呢？可以說(shuō)有一定的準(zhǔn)確性。
去年，《物理世界》就注意到原子、分子和光學(xué)物理學(xué)應(yīng)該會(huì)獲得一個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。
根據(jù)這個(gè)觀察，他們預(yù)測(cè) Paul Corkum、Ferenc Krausz 和 Anne L'Huillier 將在 2023 年獲獎(jiǎng)。
三個(gè)獲獎(jiǎng)?wù)哐褐辛藘蓚€(gè)，表明信息圖的預(yù)測(cè)能力著實(shí)不錯(cuò)！
接下來(lái)，就等下午的開(kāi)獎(jiǎng)了。
魔角石墨烯
魔角石墨烯領(lǐng)域比較出名的華人學(xué)者了，當(dāng)屬「魔角天才」曹原了。
2018 年，MIT 的 Pablo Jarillo-Herrero 和曹原等發(fā)現(xiàn)了「雙電子學(xué)」，這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)旋轉(zhuǎn)材料的相鄰層來(lái)調(diào)整石墨烯的電子特性，極有前景。
團(tuán)隊(duì)利用該技術(shù)制造了「魔角石墨烯」，行為類似于高溫超導(dǎo)體。
石墨烯是一層只有一個(gè)原子厚的碳層，具有蜂窩狀晶格。雙層石墨烯是兩層的堆疊，其中兩個(gè)晶格通常以特定方式排布。
Jarillo-Herrero 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)，將兩片原子厚度的碳（石墨烯）堆疊在一起，然后扭轉(zhuǎn)薄片，使它們之間的角度（即理論上預(yù)測(cè)的「魔角」）為 1.1°，該材料會(huì)在 1.7 K 溫度下變成超導(dǎo)體。
這種超導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)，是通過(guò)使用外加電場(chǎng)向扭曲雙層添加電子完成的。這即為「雙電子學(xué)」。
雙電子學(xué)的發(fā)展，已經(jīng)引發(fā)了石墨烯研究中幾個(gè)重要的后續(xù)發(fā)現(xiàn)。
哥倫比亞大學(xué)的科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種方法來(lái)微調(diào)二維材料相鄰層之間的角度，從而控制電子特性。這凸顯了雙電子學(xué)作為設(shè)備工程替代范例的極大潛力。
哥倫比亞大學(xué)的研究人員表明，他們可以通過(guò)實(shí)時(shí)改變晶體之間的角度來(lái)微調(diào)氮化硼上的石墨烯等二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子、機(jī)械和光學(xué)特性
進(jìn)一步的理論研究，為雙層和多層石墨烯系統(tǒng)中的電子躍遷提供了見(jiàn)解。
物理學(xué)理論家發(fā)現(xiàn)了拓?fù)涑瑢?dǎo)和材料邊緣拓?fù)洹格R約拉納態(tài)」的存在，它們都具有非常規(guī)超導(dǎo)的潛力。
這些狀態(tài)對(duì)于在量子計(jì)算機(jī)中創(chuàng)建量子比特也非常有用，因?yàn)樗鼈儽仍S多替代品更能抵抗環(huán)境擾動(dòng)。
說(shuō)回曹原。
2018 年，年僅 22 歲的曹原因發(fā)現(xiàn)石墨烯超導(dǎo)角度轟動(dòng)國(guó)際學(xué)界，開(kāi)辟了凝聚態(tài)物理研究的新領(lǐng)域，成為《Nature》創(chuàng)刊 149 年來(lái)以第一作者身份發(fā)表論文的最年輕中國(guó)學(xué)者。
當(dāng)年《Nature》發(fā)布的「年度世界十大科學(xué)人物」中，曹原位居榜首。
95 后的曹原，才 25 歲就已經(jīng)發(fā)表了 8 篇 Nature 論文。
在魔角三層石墨烯上，曹原發(fā)現(xiàn)了在強(qiáng)磁場(chǎng)中罕見(jiàn)的超導(dǎo)現(xiàn)象。
研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng) θ 等于大約 1.6° 的魔角時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入強(qiáng)耦合狀態(tài)的角度。
魔角三層石墨烯中罕見(jiàn)的自旋三重態(tài)超導(dǎo)現(xiàn)象
超導(dǎo)性源于電子結(jié)合成稱為庫(kù)珀對(duì)的兩個(gè)電子。在自旋單重態(tài) 「庫(kù)珀對(duì)」中，電子自旋（內(nèi)在角動(dòng)量）向相反的方向。
而在石墨烯材料平面存在強(qiáng)磁場(chǎng)的情況下，自旋單線態(tài)「庫(kù)珀對(duì)」拉開(kāi)，因?yàn)橐环N稱為「塞曼效應(yīng)」的現(xiàn)象導(dǎo)致自旋在同一方向上排列。
這種特性被稱為「自旋三重態(tài)」。
未來(lái)，這種奇異的超導(dǎo)體可以極大地改進(jìn)磁共振成像（MRI）技術(shù)。
24 年 7 月，曹原正式入職加州大學(xué)伯克利分校。
而就在今年 8 月，曹原發(fā)了第九篇 Nature，探討了二維材料上的多自由度控制。
論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07826-x
此外，奪獎(jiǎng)呼聲很高的還有一位理論凝聚態(tài)物理學(xué)家 Allan H. MacDonald。
2011 年，MacDonald 和其實(shí)驗(yàn)室的前博士后研究員 Rafi Bistritzer 預(yù)測(cè)，將石墨烯雙層扭轉(zhuǎn)到一個(gè)神奇的相對(duì)取向角度時(shí)，有可能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理學(xué)。
這一發(fā)現(xiàn)為「扭轉(zhuǎn)電子學(xué)」領(lǐng)域埋下了伏筆。隨后，MIT 的實(shí)驗(yàn)員 Pablo Jarillo-Herrero 發(fā)現(xiàn)，正是魔角導(dǎo)致了科學(xué)家所預(yù)測(cè)的不尋常的電特性。
2020 年，MacDonald 因預(yù)測(cè)了將扭曲雙層石墨烯轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體的魔角，而成為沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者之一。
超材料
超材料是能夠?qū)崿F(xiàn)自然不存在的電磁特性的人造材料，例如負(fù)折射率或電磁隱身。
20 世紀(jì) 60 年代，Victor Veselago 首次描述了超材料的理論特性，他專注于負(fù)折射率材料的純理論（當(dāng)時(shí)）概念。他的想法在世紀(jì)之交變成了現(xiàn)實(shí)。
超材料通常由多個(gè)晶胞組成，每個(gè)元素的尺寸遠(yuǎn)小于與其相互作用的波長(zhǎng)。這些單元電池是用金屬和塑料等電介質(zhì)等傳統(tǒng)材料在微觀上制成的。
然而，它們的確切形狀、幾何形狀、尺寸、方向和排列可以以非常規(guī)的方式宏觀地影響光，例如產(chǎn)生共振或宏觀介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的異常值。
可用超材料的一些例子包括負(fù)折射率超材料、手性超材料、等離子體超材料、光子超材料等。
第一個(gè)物理超材料由 John Pendry 開(kāi)發(fā)。
在 2000 年，他第一個(gè)找到了制造左手超材料的實(shí)用方法，左手超材料是一種不遵循右手定則的材料，這種材料允許電磁波相對(duì)于其相速度傳遞能量。
而 David R. Smith 第一個(gè)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明具有負(fù)折射率的材料。
在 2006 年，他們實(shí)現(xiàn)了首個(gè)不完美的隱形斗篷。
當(dāng)隱形裝置處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，光線會(huì)在物體周圍「偏轉(zhuǎn)」，使其看起來(lái)好像不存在一樣，從而使其不可見(jiàn)
物理學(xué)博士預(yù)測(cè)
Superconformal Hassaan 是一名奧爾巴尼大學(xué)的在讀博士。
去年，他就押中了獲獎(jiǎng)名單的其中兩人。
今年，他也給出了自己的預(yù)測(cè)名單。
光學(xué)
1.Federico Capasso（量子級(jí)聯(lián)激光器和超構(gòu)光學(xué)）
2.Stephen Forrest（有機(jī)電子學(xué)）
3.Peter Zoller（量子模擬）
4.Jun Ye（原子鐘）
5.Hidetoshi Katori（原子鐘魔法波長(zhǎng)）
拓?fù)湎到y(tǒng)
1. Michael Berry（Berry 相位）
2. Alexei Kitaev（任意子）
3. Frank Wilzcek（任意子）
量子計(jì)算
1.David Deutsch（量子計(jì)算）
2.Giles Brassard（量子計(jì)算）
3.Charles Bennett（量子計(jì)算）
4.Peter Shor（量子計(jì)算）
超材料
1. Sajeev John（光子晶體）
2. Eli Yablanovich（光子晶體）
3. John Pendry（負(fù)折射率）
粒子物理學(xué)
1. Francis Halzen（宇宙中微子冰立方實(shí)驗(yàn)）
理論和觀測(cè)宇宙學(xué)
1. Lyman Page（威爾金森微波各向異性探測(cè)器項(xiàng)目）
2. David Spergel（威爾金森微波各向異性探測(cè)器項(xiàng)目）
3. Alan Guth（宇宙膨脹）
4. Salva Mukhanov（CMB 頻譜）
5. Andrei Linde（宇宙膨脹）
最后，這位博士還給出了他心目中的提名。
1. Claudio Pellegrini（X 射線自由電子激光器）
2. Christopher Gerber（原子力顯微鏡）
3. Jarillo Herrero（轉(zhuǎn)角雙石墨烯）
4. Juan Ignacio Cirac（離子阱量子計(jì)算）
5. CV Shank（激光物理學(xué)）
6. Roger Stolen（激光物理學(xué)）
距離 2024 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的頒布，倒計(jì)時(shí)還有不到 5 小時(shí)，接下來(lái)讓我們坐等開(kāi)獎(jiǎng)！
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：微信公眾號(hào)（ID：null），作者：Aeneas 好困，原標(biāo)題《2024 諾貝爾物理學(xué)終極預(yù)測(cè)！凝聚態(tài)物理大熱門，復(fù)旦教授吳詠時(shí)被提名》
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總結(jié)
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