Physics World 評選出2018年度十大科學突破_風聞
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2018-12-25 13:45
原創：中科院物理所
近日，英國物理學會（IOP）主辦的《Physics World（物理世界）》雜誌評選出2018年十大科學突破。美國麻省理工學院（MIT）的Pablo Jarillo-Herrero和他的同事們因為開創了“轉角電子學（twistronics）”這一全新研究方向而獲得了2018年度的科學突破獎，這使得科學家可以通過控制層狀材料層與層之間的轉角來調節它們電子的性質。該團隊利用全新的技術首次製備出了“魔角”雙層石墨烯，並在其中發現了類似高温超導體的特性。2018十大年度突破中的其他九項成果也獲得高度評價，他們研究的主題覆蓋了從第一個全身PET/CT掃描到零碳離子噴射飛機。
《物理世界》2018年的十大突破獎授予了2018年在physicworld.com上報道過的研究。 獲獎者由《物理世界》編輯選擇，評判標準包括：
知識或理解方面的重大進步；
科學進步和/或實際應用開發工作的重要性；
物理世界讀者普遍感興趣。
“魔角”石墨烯開啓轉角電子學新時代
石墨烯是按照蜂巢形狀堆疊的單層碳原子。雙層石墨烯就是將兩層石墨烯疊在一起，每層石墨烯都有其各自特定的指向。Jarillo-Herrero和他的同事發現當把石墨烯的指向旋轉到特定的方向時，體系會表現出莫特絕緣體的性質。
這個團隊由來自麻省理工學院、哈佛大學和日本國家材料科學研究所的科研人員組成，他們發現如果利用電場在雙層石墨烯上吸附電子，就能將它變成超導體。
轉角電子學的發現已經引發了石墨烯研究中的一系列重要的進展。來自哥倫比亞大學的科學家已經發現了一種微調兩層石墨烯之間轉角的方法並可以通過這種方法控制電子的性質。這大大增加了石墨烯的應用潛力。
進一步的理論研究揭示了雙層和三層石墨烯中的電子躍遷。理論物理學家已經指出非常規超導體具有巨大潛力，包括拓撲超導電性、材料邊界存在拓撲的“馬約拉納態”。這些態非常適合製造量子計算機中的量子比特因為它們在環境的擾動中表現出更強的穩定性。
最近發現，在二維材料中施加轉角可以抑制反轉散射（U-過程），這種散射會降低高温下載流子的遷移率。
多功能碳纖維使“無質量”儲存成為可能
查爾姆斯理工大學的Leif Asp及其在瑞典，意大利和法國的合作伙伴，因使用多功能碳纖維揭示無質量儲能的應用潛力而獲獎。儘管儲能技術已有了長足進步，但電池仍然是筆記本電腦甚至汽車等設備重量的重要組成部分。
除了優化的電池材料來減輕重量，Leif Asp及其合着者表示，還可以利用用於結構支撐的碳纖維的電化學特性使設備重量下降50％。
Leif Asp和碳纖維紗筒
補償器推動先進放射性治療方法在全球的普及
華盛頓大學醫學中心的Eric Ford及其同事發明了一種低成本調強放療（IMRT）方法。 IMRT是一種精密治療技術，它使用複雜的多葉準直器（MLC）來束縛光子束，這樣可以減少對健康組織的傷害。 雖然調強放療基本已被高收入國家的所有放射治療診所使用，但低收入和中等收入國家的大部分地區卻無法配備它。為了解決這一不足，Ford和一個團隊開發了一種低成本的多葉準直器替代品，它是一個由輕質塑料模具製成的補償器環，裏面充滿了如鎢珠等衰減珠子。該設備可以裝備到現有的直線加速器和鈷遠程治療單元上，使得診所無需購買新的治療系統就可以增加調強放療功能。
聯合國政府間氣候變化專門委員會關於氣候變化1.5°C的特別報道
政府間氣候變化專門委員會(IPCC)因在10月份的專題報道中報道氣候變化1.5°C而獲獎。這項工作由來自40個國家的91名作者完成。這份報告源於2015年巴黎氣候大會，報告指出如果可以將氣候變暖限制在1.5°C以內，氣候變化造成的影響就不會太大。
“全球温度每升高一點都會造成顯著的後果，尤其是升高1.5攝氏度或以上會增加對地球造成不可逆影響的風險。”IPCC第二工作組的聯合負責人Hans-Otto Portner説道。
EXPLORER PET/CT 首次實現全身掃描
EXPLORER consortium因使用他們的全身PET掃描儀實現人體成像而獲獎。
EXPLORER PET/CT是世界上首台可以對整個人體同時3D顯像的醫療成像系統。這套由加州大學戴維斯分校(UC Davis)的科學家和一個多機構聯合團隊開發的系統將PET系統的掃描速度提高40倍，這樣人體承受的輻射量會減少至原來的四十分之一。這使得在人體上進行重複掃描成為可能，也可以大幅度減少兒科檢查中的輻射量。這種高靈敏度的掃描儀還可以拍攝追蹤放射性標記藥物在體內移動的影片。
無內燃機、無螺旋槳飛機的研製成功
Steve Barrett和他在麻省理工學院的同事Steve Barrett因製造第一架不需要內燃機、螺旋槳的飛機而獲獎。
這架飛機的翼展為5米，由帶電離子組成的“離子風”驅動。
Steve Barrett表示，他的工作受到兒時喜愛的《星際迷航》的啓發:“未來的飛機應該是無聲的，沒有活動部件的，也許只能看到一道藍光，而看不到類似螺旋槳或渦輪機之類的東西。所以我開始思考如何讓沒有運動部件的飛行成為可能。”
離子飛機飛行時的延時圖像
實驗驗證量子力學打破因果序
昆士蘭大學的Jacqui Romero、Fabio Costa、Kaumudibikash Goswami、Christina Giarmatzi、Michael Kewming和Andrew White以及Grenoble Alpes大學的Cyril Branciard因實驗證明量子力學中沒有明確因果順序的事件也可以發生而獲獎。這與經典物理學和日常生活經驗不同，在經典物理學中，先後發生的事件之間存在嚴格的因果關係。為了觀察不確定的因果關係，研究小組發明了一個“量子開關”，光子可以選擇兩條不同的路徑。一種路徑是光子在B操作之前受到A操作的影響，而另一種路徑是光子在A操作之前受到B操作的影響。如果兩種操作一起實施，那麼無法判斷哪一個操作在前哪一個操作在後。不確定的因果順序——連同團隊創造的量子開關——可能對處理量子信息有用。
激活視網膜幹細胞可以恢復小鼠的視力
來自西奈山伊坎醫學院的Bo
Chen以及一個國際研究小組因通過激活視網膜幹細胞成功恢復小鼠視力而獲獎。在冷血脊椎動物中，Muller膠質細胞(MGs)扮演視網膜幹細胞的角色，它可以修復受損的視網膜神經元，恢復視力。然而在哺乳動物中，MGs並沒有再生能力。在這項研究中，Chen和他的同事們試圖通過兩步基因轉移方法來重新激活失明小鼠的MGs。在轉移完成後的4到6周，老鼠能夠感知光線並恢復視力。雖然還需要進一步的測試來確定視力改善的程度，但這種方法總有一天會改變對視網膜退行性疾病的治療方法，這些疾病目前還沒有治癒方法。
遠古的氫提供暗物質是什麼的線索
亞利桑那州立大學的Judd Bowman、Raul Monsalve、 Thomas Mozdzen 和 Nivedita Mahesh以及麻省理工學院的Alan Rogers利用edge射電望遠鏡觀測到了宇宙大爆炸後僅1.8億年就存在的氫氣，它的温度比預期的要低;特拉維夫大學的Rennan Barkana認為這可能是首次直接觀測到暗物質和傳統物質之間的非引力相互作用。雖然還需要進一步的觀察來支持這一假設，但這項研究可能有助於解開物理學中最重要的未解之謎之一:暗物質的本質是什麼?
暗物質冷卻了來自遠古的氫嗎
準晶中的超導
Keiichiro Imura、KazuhikoDeguchi,Tsutomu Ishimasa、 Keisuke Kamiya、Nobuo Wada和名古屋大學的Noriaki Sato、豐田工業大學的Tsunehiro Takeuchi、豐田物理化學研究所的TsunehiroTakeuchi和東北大學的Noriyuki Kabeya因發現第一個超導準晶體而獲獎，這是一種超導轉變温度0.005K的合金材料。傳統超導體因電子通過電聲耦合形成配對而實現超導。當電子對通過聲子的相互作用而形成時，就會產生傳統的超導性，晶格的存在才導致了這種超導的產生。準晶體不具有平移對稱，因此不具有晶格，所以它應該不是傳統超導體。自從1984年第一個準晶體被發現以來，一些物理學家就提出，準晶體中可能存在超導性，而現在這一發現可能會導致新的超導材料的出現。
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