2020年沃爾夫獎揭曉_風聞

編譯 | 繼****省、趙世凡、烏鴉少年

以色列當地時間1月13日， 2020年沃爾夫科學藝術獎獲獎名單公佈，其中物理學獎授予“魔角”雙層石墨烯相關的研究，生物學獎授予基因編輯技術CRISPR領域的開創性工作，數學獎授予微分幾何與拓撲方面的重要成果，此外還公佈了農業獎與藝術獎。

這是沃爾夫獎第42次頒發。本年度獎項發給了來自美國、英國、法國、俄國、西班牙和以色列等6個國家的9位候選人。

物理獎 “魔角”雙層石墨烯

2020年沃爾夫物理學獎授予三位物理學家：麻省理工學院的Pablo Jarillo-Herrero 教授、德州大學奧斯汀分校的Allan H. Macdonald 教授和 Rafi Bistritzer博士，以表彰他們在扭轉雙層石墨烯方面開創性的理論和實驗工作。

2004年，曼徹斯特大學的兩位物理學家Andre Geim和 Konstantin Novoselov首次從層狀結構的石墨中用膠帶剝離出了單個原子厚度的石墨烯（兩人因為相關工作獲得2010年諾貝爾物理學獎），自此之後，幾個實驗組迅速投身到了對於扭轉雙層石墨烯性質的研究當中。

石墨烯是由一個個碳原子圍成的六邊形蜂巢結構，具有諸多優異的性質。中科院物理所副研究員羅會仟介紹説：“石墨烯這種六邊形結構單原子層網具有強大的‘抗壓’能力。更為獨特的是，石墨烯中電子的遷移速率非常快，是硅材料的10倍，因而在材料製備和器件構造上有得天獨厚的優勢，被譽為是未來最有可能替代硅半導體的材料之一。可以説，石墨烯既是未來材料應用的明星，也是當今凝聚態物理研究的前沿熱點。”

2011年，理論物理學家 Allan Macdonald 帶領的小組研究了扭轉雙層石墨烯的一個有趣行為。根據 Macdonald 與他當時的博士後研究生Bistrizer的計算結果，兩層石墨烯間電子的隧穿速率取決於它們錯開的角度。將兩層單個原子厚度的石墨烯堆疊在一起，當它們之間的扭轉角度達到1.1°時，電子相互作用的效應會被極度地放大，從而使雙層石墨烯表現出有趣的行為。

不過 MacDonald 和Bistrizer的發現在一開始並沒有受到科學界的重視，甚至被遺忘了數年之久。與此同時，實驗凝聚態物理學家Jarillo-Herrero也在麻省理工學院的實驗室裏進行着關於扭轉雙層石墨烯的研究，他的實驗室主要研究材料的超導、磁學和拓撲性質。他相信 MacDonald 和Bistrizer的思想中藴含着一些實質性的東西。

Jarillo-Herrero 的研究團隊因此投入了大量努力來製備並測量具有各種扭轉角度的雙層石墨烯。到了2017年，實驗取得了成功，他們發現，在温度為1.7K（絕對零度以上1.7度），將兩層石墨烯彼此扭轉錯開1.1°的“魔角”時，它們表現為絕緣體，而只要施加微弱的門電壓注入載流子，這種材料就會轉變為超導體，正如MacDonald 和Bistrizer之前所預言的那樣。

Jarillo-Herrero團隊的研究成果於2018年發表在《自然》雜誌上，這項成果在物理學領域產生了革命性的影響，並引發了大量的相關研究。對於這項實驗突破，羅會仟解釋道：“所謂魔角雙層石墨烯，就是把兩個單層石墨烯堆砌起來，並且相對扭轉一個角度。這種‘神操作’不是一般人能夠做到的，需要克服極大的技術挑戰。正是因為這個魔角，兩層石墨烯之間形成了新的結構調製——摩爾紋，它具有更大的晶格尺度。以此為單元，就可以用傳統的門電壓調控技術調節載流子濃度，這最終導致了雖然石墨烯的載流子濃度相對金屬而言要低幾個數量級，但它的導電性能卻出現了翻天覆地的變化。”

當雙層石墨烯扭轉一個微小的角度時，上下兩層不再完美地垂直疊套，原本六角對稱的結構因為疊套而形成尺度更大的“擴展元胞”，也就是所謂的摩爾紋。| 來源：nature

與此同時，扭轉雙層石墨烯的發現也為使用雙層石墨烯來構建超導體打開了大門。石墨烯和高温超導看似是兩個不甚相關的領域，實際上卻存在着千絲萬縷的聯繫。石墨烯具有完美的二維結構，而高温超導材料結構則是準二維的，例如銅氧化物材料中最關鍵的結構單元就是Cu-O平面。

扭轉雙層石墨烯中電子的行為與銅氧化物超導體類似。與需要在極低温度下才能表現出超導電性的常規超導體相比，銅氧化物超導體在相當高的温度下就可以表現出超導電性，因此人們期待可以利用銅氧化物實現在接近室温下無能量損耗的電流傳輸。如果這個目標得以實現，將會導致一場影響深遠的能源革命。

然而，有一個障礙一直阻礙着這場能源革命的到來。雖然常規超導體的超導電性可以通過電子結合成對的 BCS 理論來解釋，但我們還沒有一個理論可以解釋高温超導機制。如果缺乏堅實的理論基礎，要發展出新的性能更好的材料將困難重重。而扭轉雙層石墨烯是兩個單原子層的堆疊，比摻雜的銅氧化物材料要乾淨許多，只需要通過外界門電壓調控就可以實現超導態和絕緣態的轉變。儘管扭角石墨烯的超導温度僅有1 K左右，但是它的各種性質實在太像高温超導體了，因此有助於我們更好地理解高温超導的微觀機制，甚至發現能導致更高超導温度的全新機制。

羅會仟表示：“能夠實現高温超導甚至是室温超導電性是所有超導研究人的終極夢想。也正是如此，對於石墨烯乃至其他碳基材料中超導電性的探索從未停止。”

致謝：感謝中科院物理所副研究員羅會仟對本文的修改意見和幫助。

參考資料

[1] Bistritzer, R. & MacDonald, A. H. Moiré bands in twisted double-layer graphene. Proc. Natl Acad. Sci. USA 108, 12233–12237 (2011)

[2] Yuan Cao et al. Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices. Nature 556, 43–50 (2018)

[3] Yuan Cao et al. Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices. Nature 556, 80–84 (2018) 

[4] Xiaobo Lu et al. Superconductors, orbital magnets and correlated states in magic-angle bilayer graphene. Nature 574, 653–657(2019)

[5] Kha Tran, et al.  Evidence for moiré excitons in van der Waals heterostructures.  Nature 567, 71–75 (2019)

[6] 羅會仟，“魔角”石墨烯織造“高温”超導.知社學術圈(2018)

[7] 羅會仟，Science 述評：扭扭捏捏石墨烯、乾乾淨淨調超導，ScienceAAAS公眾號(2019)[8] https://wolffund.org.il/2020/01/13/pablo-jarillo-herrero/

數學獎微分幾何與拓撲

2020年沃爾夫數學獎聯合授予了斯坦福大學的Yakov Eliashberg教授和倫敦帝國理工學院與美國西蒙斯幾何與物理中心（SCGP）的Simon K.Donaldson爵士，以表彰他們在微分幾何和拓撲中作出的巨大貢獻。 Donaldson早年博士畢業於牛津大學，先後師從Nigel Hitchin和Michael Atiyah。在博士二年級時便證明了震驚整個數學界的有關於四維拓撲的結論。除此之外，他還發展出了一套徹底改變這個領域的全新工具，融合了來自全局非線性分析、拓撲和代數幾何中的新想法。他十分善於將物理運用於數學中，比如用楊-米爾斯方程解決了凱勒流形中的許多問題，從而改變了人們對於辛幾何的理解。這一觀念深刻地影響了數學與物理的發展，他使用物理方程模空間的技巧被人們用來構造Donaldson不變量。尤其是近年來他也用特殊的幾何在弦論做出了重要工作。

沃爾夫獎給Donaldson的頒獎詞是：“Donaldson因為過去35年來在幾何領域的領導作用而被授予沃爾夫獎。自從他在4-流形和規範場理論方面的根本性工作以來，他的研究已經成為了融合來自全局非線性分析、拓撲、代數幾何和物理的新想法的獨特結合。尤其值得注意的是他近來在辛幾何與凱勒幾何方面的工作。”

Yakov Eliashberg博士畢業於列寧格勒大學，後於1988年移民赴美。在上世紀八十年代，他一邊做軟件工程養家一邊發展出了一個十分天才的組合技巧。這引導他發現了第一個辛剛性（symplectic rigidity) 的體現。他在上世紀八十年代末引入的“tight vs overtwisted”的切觸結構已經徹底改變了切觸拓撲的面貌，並於1989-1992年的系列論文中引入了現在廣為使用的數學語言。後來他又為辛場論（symplectic field theory）奠定了基礎，並且在近些年來於辛拓撲與切觸拓撲中發現了大量驚人的同倫原則。這使人們認識到剛性只是鬆弛現象（flexible phenomena) 海洋中的一滴水珠而已。沃爾夫獎給Eliashberg的頒獎詞是：“Eliashberg因為其在辛拓撲與切觸拓撲中的奠基性工作，在偏微分關係同倫原則和多維複分析中的貢獻工作而被授予沃爾夫獎。”

參考資料

https://wolffund.org.il/2020/01/13/yakov-eliashberg/https://wolffund.org.il/2020/01/13/simon-donaldson/

醫學獎基因編輯技術

醫學獎由美國加州大學伯克利分校的詹妮弗·杜德娜（Jennifer Doudna）教授和馬克普朗克感染生物學研究所的法籍科學家艾曼紐爾·夏彭提耶（Emanuelle Charpentier）教授共享，表彰她們在革命性基因編輯技術CRISPR領域的開創性工作。

杜德娜是加州大學伯克利分校分子和細胞生物學教授、化學教授，霍華德休斯醫學研究所（HHMI）研究員。沃爾夫獎官網給杜德娜的頒獎詞是 “揭示了RNA介導的基因組編輯在細菌免疫中的變革性機制”，對於杜德娜在CRISPR技術應用的倫理學爭議中的發聲，基金會也給予了表彰。

夏彭提耶是德國馬克普朗克感染生物學研究所教授，法國籍生化學家、微生物學家、遺傳學家，是細菌病原體感染和免疫領域的知名專家。沃爾夫獎官網給夏彭提耶的頒獎詞是 “解密了細菌CRISPR/Cas9免疫系統並將其重新應用於基因組編輯”。

素有“基因魔剪”之稱的CRISPR技術是近年來科學領域的熱門。CRISPR/Cas9系統最早發現於細菌中，是細菌為了對抗病毒入侵而使用的一套類似於免疫系統的防禦機制。杜德娜和夏彭提耶通過合作研究，將CRISPR/Cas9從細菌防禦機制拓展成為跨物種應用的基因編輯工具。這項技術的橫空出世，讓科學家可以高效、精準地干擾細胞的遺傳活動——即改變、修復或移除特定的基因。這項技術在全世界範圍內的分子生物學實驗室得到極其廣泛的使用，在臨牀治療領域也進入了早期試驗階段，有望為某些不治之症提供新的治療策略。

在沃爾夫獎之前，杜德娜和夏彭提耶兩人就因開發CRISPR技術多次獲得國際大獎。據不完全統計，兩人同時獲得的獎項包括：2015年生命科學突破獎、西班牙阿斯圖里亞斯女親王獎（Premios Princesa de Asturias）中的科學技術獎項、2015年度阿爾珀特獎（Warren Alpert Foundation Prize）、加拿大蓋爾德納國際獎（Gairdner International Award）、台灣唐獎的生技醫藥獎、2017年度日本獎、2018年度卡弗里納米科學獎（The Kavli Prize in Nanoscience）等。

參考資料

https://www.haaretz.com/israel-news/.premium-2020-wolf-prize-laureates-include-inventors-of-genetic-scissors-technology-1.8398614https://chemistry.berkeley.edu/news/jennifer-doudna-awarded-2020-wolf-prize-medicinehttps://phys.org/news/2020-01-gene-editing-tool-israel-wolf-prize.html

農業獎植物開花時間控制和春化現象的表觀遺傳基礎

2020年沃爾夫農業獎授予了英國約翰·英納斯中心的卡洛琳·迪恩（Caroline Dean）教授，以表彰其在植物開花時間控制和春化現象的表觀遺傳基礎方面的開創性發現。

卡洛琳·迪恩教授是英國著名植物學家，其研究聚焦於理解植物季節性開花的分子調控機制，尤其是春化現象（指很多開花植物需經過嚴冬低温才會開花的現象）。迪恩教授的工作幫助人們理解植物的開花記憶和温度感應機制，對農業領域和生物學領域都有深遠影響，也因此獲得多項學術榮譽或獎項，包括英國分子生物學會（EMBO）會員、美國科學院外籍院士、英國皇家學會達爾文獎章、聯合國教科文組織女性科學家獎等。迪恩教授同時也是“科學巾幗”（Women in Science）運動的強力支持者。

沃爾夫農業獎是與世界糧食獎齊名的農業領域重磅獎項，此前曾有兩位華人獲此殊榮：植物激素專家、台灣科學家楊祥發教授（1991年）， “雜交水稻”研究專家袁隆平院士（2004年）。

參考資料

https://wolffund.org.il/2020/01/13/caroline-dean/https://en.wikipedia.org/wiki/Caroline_Dean

藝術獎用相機重新定義藝術

2020年沃爾夫藝術獎頒給了美國的藝術家辛迪·舍曼（Cindy·Sherman），授獎理由是“用相機重新定義藝術”。

辛迪·舍曼是美國先驅女攝影師、電影導演和藝術家，是當今藝術和文化領域最具影響力的藝術家之一。她以“化裝自拍”攝影風格著稱，其融入概念藝術且具有表演性的肖像自拍作品，在拍攝手法上顛覆了傳統攝影強調的紀實性，開拓了攝影的更多可能性。

參考資料

https://wolffund.org.il/2020/01/13/cindy-sherman/http://www.fosunfoundation.com/exhibitions/detail/14

獎項簡介：沃爾夫獎一直有“諾獎風向標”之稱，約三分之一的沃爾夫獎得主最後都獲得了諾貝爾獎。每年沃爾夫基金會都會在藝術、農業、物理、醫學和數學等5個領域，各拿出10萬美金，獎勵“為人類利益和人類友好關係做出傑出貢獻”的藝術家和科學家。

本年度頒獎典禮將於2020年6月11日在以色列耶路撒冷舉行。

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