2024諾貝爾物理學終極預測！凝聚態物理大熱門，復旦教授吳詠時被提名

新智元報道

編輯：Aeneas 好睏

【新智元導讀】今年的諾貝爾物理學獎，將於今天下午頒獎。《物理世界》雜誌預測：奪獎熱門是凝聚態物理（魔角石墨烯）和超材料。復旦大學施鬱教授則押寶分數統計和任意子領域。

2024年諾貝爾物理學獎，就要在今天下午開獎了！

現在，網上已經出了許多版本的獲獎預測。

凝聚態物理、量子計算、超材料等，都是奪獎的熱門方向。

其中，凝聚態物理是從業人數最多的研究領域，也是傳統諾獎大戶，因而成爲業界呼聲最高的奪獎方向。

復旦大學施鬱教授認爲，諾貝爾物理學獎獲獎領域主要集中於四大領域：粒子物理、原子分子光物理、凝聚態物理、天體物理。今年的物理學獎，他預測可能會授予研究分數統計和任意子領域

目前已經獲得較多預測提名的有——

凝聚態物理領域：Rafi Bistritzer、Pablo Jarillo-Herrero、Allan H. MacDonald

量子計算領域：David Deutsch、Peter W. Shor

任意子領域：Alexei Kitaev、Frank Wilzcek

分數統計：Jon M. Leinaas、Jan Myrheim、吳詠時、Bertrand Halperin、Gwendal Fève

而發現了量子反常霍爾效應的薛其坤，和發現了中微子的第三種振盪模式的王貽芳，也都是衆人期待的奪獎熱門。

楊振寧曾評價薛其坤的科研成果是「諾貝爾獎級的物理學論文」，稱他是離諾貝爾獎最近的人

凝聚態和超材料呼聲極高

每次諾獎物理學獎公佈前夕，英國物理學會雜誌《物理世界》都會進行一番預測。

在2023年，他們就創造了「三押兩中」的輝煌戰績。

今年，《物理世界》的預測是：凝聚態和超材料。

爲了預測效果更好，他們創建了一個信息圖。

這個信息圖展示了歷屆諾獎物理學獎的歷史，並且按照獲獎工作的學科進行了分類，包括天體物理、粒子物理、應用物理、量子物理、凝聚態物理、經典物理、原子分子和光物理七大類。

在信息圖中，這個獎項被歸類爲「原子、分子和光學」，它位於信息圖的頂部，通過深藍色線條與其類別相連。

仔細看這幅信息圖，會發現信息量極大。

首先，它揭示了哪些物理學學科最受歷屆諾獎委員會的關注。

此外，它還顯示出，某些學科的地位是忽冷忽熱的，但另一些學科在過去的120年裡，一直在穩定地產生諾獎獲獎者。

比如，量子物理學在1910-1950年代，曾經深受諾獎委員會的青睞，但隨後它完全失寵了，直到2012年才重新受到關注。

從信息圖中還可以看出，在大約1990年之後，學科之間往往存在着非常明顯的間隔。

據此，《物理世界》展開分析，並且利用結果進行了預測——

今年的獲獎領域，很可能就是凝聚態物理學！其中可能包括「魔角石墨烯」和「超材料」。

用信息圖預測的準確性有多大呢？

可以說有一定的準確性。

去年，《物理世界》就注意到原子、分子和光學物理學應該會獲得一個獎項。

2023年信息圖

根據這個觀察，他們預測Paul Corkum、Ferenc Krausz和Anne L'Huillier將在2023年獲獎。

三個獲獎者押中了兩個，表明信息圖的預測能力着實不錯！

接下來，就等下午的開獎了。

魔角石墨烯

魔角石墨烯領域比較出名的華人學者了，當屬「魔角天才」曹原了。

2018年，MIT的Pablo Jarillo-Herrero和曹原等發現了「雙電子學」，這項技術通過旋轉材料的相鄰層來調整石墨烯的電子特性，極有前景。

團隊利用該技術製造了「魔角石墨烯」，行爲類似於高溫超導體。

石墨烯是一層只有一個原子厚的碳層，具有蜂窩狀晶格。雙層石墨烯是兩層的堆疊，其中兩個晶格通常以特定方式排布。

Jarillo-Herrero領導的研究小組發現，將兩片原子厚度的碳（石墨烯）堆疊在一起，然後扭轉薄片，使它們之間的角度（即理論上預測的「魔角」）爲1.1°，該材料會在1.7 K溫度下變成超導體。

這種超導的實現，是通過使用外加電場向扭曲雙層添加電子完成的。這即爲「雙電子學」。

雙電子學的發展，已經引發了石墨烯研究中幾個重要的後續發現。

哥倫比亞大學的科學家設計了一種方法來微調二維材料相鄰層之間的角度，從而控制電子特性。這凸顯了雙電子學作爲設備工程替代範例的極大潛力。

哥倫比亞大學的研究人員表明，他們可以通過實時改變晶體之間的角度來微調氮化硼上的石墨烯等二維異質結構的電子、機械和光學特性

進一步的理論研究，爲雙層和多層石墨烯系統中的電子躍遷提供了見解。

物理學理論家發現了拓撲超導和材料邊緣拓撲「馬約拉納態」的存在，它們都具有非常規超導的潛力。

石墨烯網絡

這些狀態對於在量子計算機中創建量子比特也非常有用，因爲它們比許多替代品更能抵抗環境擾動。

說回曹原。

2018年，年僅22歲的曹原因發現石墨烯超導角度轟動國際學界，開闢了凝聚態物理研究的新領域，成爲《Nature》創刊149年來以第一作者身份發表論文的最年輕中國學者。

當年《Nature》發佈的「年度世界十大科學人物」中，曹原位居榜首。

在魔角三層石墨烯上，曹原發現了在強磁場中罕見的超導現象。

研究發現，當θ等於大約1.6°的魔角時，系統進入強耦合狀態的角度。

魔角三層石墨烯中罕見的自旋三重態超導現象

超導性源於電子結合成稱爲庫珀對的兩個電子。在自旋單重態 「庫珀對」中，電子自旋（內在角動量）向相反的方向。

而在石墨烯材料平面存在強磁場的情況下，自旋單線態「庫珀對」拉開，因爲一種稱爲「塞曼效應」的現象導致自旋在同一方向上排列。

這種特性被稱爲「自旋三重態」。

未來，這種奇異的超導體可以極大地改進磁共振成像（MRI）技術。

24年7月，曹原正式入職加州大學伯克利分校。

而就在今年8月，曹原發了第九篇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，奪獎呼聲很高的還有一位理論凝聚態物理學家Allan H. MacDonald。

2011年，MacDonald和其實驗室的前博士後研究員Rafi Bistritzer預測，將石墨烯雙層扭轉到一個神奇的相對取向角度時，有可能實現強關聯物理學。

這一發現爲「扭轉電子學」領域埋下了伏筆。隨後，MIT的實驗員Pablo Jarillo-Herrero發現，正是魔角導致了科學家所預測的不尋常的電特性。

2020年，MacDonald因預測了將扭曲雙層石墨烯轉變爲超導體的魔角，而成爲沃爾夫物理學獎獲得者之一。

超材料

超材料是能夠實現自然不存在的電磁特性的人造材料，例如負折射率或電磁隱身。

20世紀60年代，Victor Veselago首次描述了超材料的理論特性，他專注於負折射率材料的純理論（當時）概念。他的想法在世紀之交變成了現實。

超材料通常由多個晶胞組成，每個元素的尺寸遠小於與其相互作用的波長。這些單元電池是用金屬和塑料等電介質等傳統材料在微觀上製成的。

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的方式宏觀地影響光，例如產生共振或宏觀介電常數和磁導率的異常值。

可用超材料的一些例子包括負折射率超材料、手性超材料、等離子體超材料、光子超材料等。

第一個物理超材料由John Pendry開發。

在2000年，他第一個找到了製造左手超材料的實用方法，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於其相速度傳遞能量。

而David R. Smith第一個通過實驗證明具有負折射率的材料。

在2006年，他們實現了首個不完美的隱形斗篷。

當隱形裝置處於活動狀態時，光線會在物體周圍「偏轉」，使其看起來好像不存在一樣，從而使其不可見

物理學博士預測

Superconformal Hassaan是一名奧爾巴尼大學的在讀博士。

去年，他就押中了獲獎名單的其中兩人。

今年，他也給出了自己的預測名單。

光學

1.Federico Capasso（量子級聯激光器和超構光學）

2.Stephen Forrest（有機電子學）

3.Peter Zoller（量子模擬）

4.Jun Ye（原子鐘）

5.Hidetoshi Katori（原子鐘魔法波長）

拓撲系統

1. Michael Berry（Berry相位）

2. Alexei Kitaev（任意子）

3. Frank Wilzcek（任意子）

量子計算

1.David Deutsch（量子計算）

2.Giles Brassard（量子計算）

3.Charles Bennett（量子計算）

4.Peter Shor（量子計算）

超材料

1. Sajeev John（光子晶體）

2. Eli Yablanovich（光子晶體）

3. John Pendry（負折射率）

粒子物理學

1. Francis Halzen（宇宙中微子冰立方實驗）

理論和觀測宇宙學

1. Lyman Page（威爾金森微波各向異性探測器項目）

2. David Spergel（威爾金森微波各向異性探測器項目）

3. Alan Guth（宇宙膨脹）

4. Salva Mukhanov（CMB頻譜）

5. Andrei Linde（宇宙膨脹）

最後，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（轉角雙石墨烯）

4. Juan Ignacio Cirac（離子阱量子計算）

5. CV Shank（激光物理學）

6. Roger Stolen（激光物理學）

距離2024年諾貝爾物理學獎的頒佈，倒計時還有不到5小時，接下來讓我們坐等開獎！

參考資料：

https://physicsworld.com/a/use-our-infographic-to-predict-this-years-nobel-prize-winners/

https://x.com/Hassaan_PHY/status/1843362045112266907

https://mp.weixin.qq.com/s/IXpqRUMJoxl_FRpGOwEebw