2024 年諾貝爾物理學獎，就要在今天下午開獎了！
現(xiàn)在，網(wǎng)上已經(jīng)出了許多版本的獲獎預(yù)測。凝聚態(tài)物理、量子計算、超材料等，都是奪獎的熱門方向。
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)諾獎大戶，因而成為業(yè)界呼聲最高的奪獎方向。
目前已經(jīng)獲得較多預(yù)測提名的有 ——
凝聚態(tài)物理領(lǐng)域：Rafi Bistritzer、Pablo Jarillo-Herrero、Allan H. MacDonald
量子計算領(lǐng)域：David Deutsch、Peter W. Shor
任意子領(lǐng)域：Alexei Kitaev、Frank Wilzcek
分數(shù)統(tǒng)計：Jon M. Leinaas、Jan Myrheim、吳詠時、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熱門。
凝聚態(tài)和超材料呼聲極高
每次諾獎物理學獎公布前夕，英國物理學會雜志《物理世界》都會進行一番預(yù)測。在 2023 年，他們就創(chuàng)造了「三押兩中」的輝煌戰(zhàn)績。
今年，《物理世界》的預(yù)測是：凝聚態(tài)和超材料。
為了預(yù)測效果更好，他們創(chuàng)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，并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(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。
比如去年的諾獎物理學獎，是由 Pierre Agostini、Ferenc Krausz 和 Anne L'Huillier 共同獲得的，表彰了他們在使用阿秒激光脈沖研究電子行為方面的開創(chuàng)性工作。
在信息圖中，這個獎項被歸類為「原子、分子和光學」，它位于信息圖的頂部，通過深藍色線條與其類別相連。仔細看這幅信息圖，會發(fā)現(xiàn)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(guān)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 年里，一直在穩(wěn)定地產(chǎn)生諾獎獲獎?wù)摺?/p>
比如，量子物理學在 1910-1950 年代，曾經(jīng)深受諾獎委員會的青睞，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，學科之間往往存在著非常明顯的間隔。
據(jù)此，《物理世界》展開分析，并且利用結(jié)果進行了預(yù)測 ——
今年的獲獎領(lǐng)域，很可能就是凝聚態(tài)物理學！其中可能包括「魔角石墨烯」和「超材料」。
用信息圖預(yù)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(yīng)該會獲得一個獎項。
根據(jù)這個觀察，他們預(yù)測 Paul Corkum、Ferenc Krausz 和 Anne L'Huillier 將在 2023 年獲獎。
三個獲獎?wù)哐褐辛藘蓚€，表明信息圖的預(yù)測能力著實不錯！
接下來，就等下午的開獎了。
魔角石墨烯
魔角石墨烯領(lǐng)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(fā)現(xiàn)了「雙電子學」，這項技術(shù)通過旋轉(zhuǎn)材料的相鄰層來調(diào)整石墨烯的電子特性，極有前景。
團隊利用該技術(shù)制造了「魔角石墨烯」，行為類似于高溫超導體。
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(lǐng)導的研究小組發(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)測的「魔角」）為 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(xiàn)，是通過使用外加電場向扭曲雙層添加電子完成的。這即為「雙電子學」。
雙電子學的發(fā)展，已經(jīng)引發(fā)了石墨烯研究中幾個重要的后續(xù)發(fā)現(xiàn)。
哥倫比亞大學的科學家設(shè)計了一種方法來微調(diào)二維材料相鄰層之間的角度，從而控制電子特性。這凸顯了雙電子學作為設(shè)備工程替代范例的極大潛力。
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(diào)氮化硼上的石墨烯等二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子、機械和光學特性
進一步的理論研究，為雙層和多層石墨烯系統(tǒng)中的電子躍遷提供了見解。
物理學理論家發(fā)現(xiàn)了拓撲超導和材料邊緣拓撲「馬約拉納態(tài)」的存在，它們都具有非常規(guī)超導的潛力。
這些狀態(tài)對于在量子計算機中創(chuàng)建量子比特也非常有用，因為它們比許多替代品更能抵抗環(huán)境擾動。
說回曹原。
2018 年，年僅 22 歲的曹原因發(fā)現(xiàn)石墨烯超導角度轟動國際學界，開辟了凝聚態(tài)物理研究的新領(lǐng)域，成為《Nature》創(chuàng)刊 149 年來以第一作者身份發(fā)表論文的最年輕中國學者。
當年《Nature》發(fā)布的「年度世界十大科學人物」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)了在強磁場中罕見的超導現(xiàn)象。
研究發(fā)現(xiàn)，當 θ 等于大約 1.6° 的魔角時，系統(tǒng)進入強耦合狀態(tài)的角度。
魔角三層石墨烯中罕見的自旋三重態(tài)超導現(xiàn)象
超導性源于電子結(jié)合成稱為庫珀對的兩個電子。在自旋單重態(tài) 「庫珀對」中，電子自旋（內(nèi)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(tài)「庫珀對」拉開，因為一種稱為「塞曼效應(yīng)」的現(xiàn)象導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，這種奇異的超導體可以極大地改進磁共振成像（MRI）技術(shù)。
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(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，奪獎呼聲很高的還有一位理論凝聚態(tài)物理學家 Allan H. MacDonald。
2011 年，MacDonald 和其實驗室的前博士后研究員 Rafi Bistritzer 預(yù)測，將石墨烯雙層扭轉(zhuǎn)到一個神奇的相對取向角度時，有可能實現(xiàn)強關(guān)聯(lián)物理學。
這一發(fā)現(xiàn)為「扭轉(zhuǎn)電子學」領(lǐng)域埋下了伏筆。隨后，MIT 的實驗員 Pablo Jarillo-Herrero 發(fā)現(xiàn)，正是魔角導致了科學家所預(yù)測的不尋常的電特性。
2020 年，MacDonald 因預(yù)測了將扭曲雙層石墨烯轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢w的魔角，而成為沃爾夫物理學獎獲得者之一。
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，他專注于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(xiàn)實。
超材料通常由多個晶胞組成，每個元素的尺寸遠小于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(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(fā)。
在 2000 年，他第一個找到了制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于其相速度傳遞能量。
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(xiàn)了首個不完美的隱形斗篷。
當隱形裝置處于活動狀態(tài)時，光線會在物體周圍「偏轉(zhuǎn)」，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(yù)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(yù)測名單。
光學
1.Federico Capasso（量子級聯(lián)激光器和超構(gòu)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(tǒng)
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布，倒計時還有不到 5 小時，接下來讓我們坐等開獎！
本文來自微信公眾號：微信公眾號（ID：null），作者：Aeneas 好困，原標題《2024 諾貝爾物理學終極預(yù)測！凝聚態(tài)物理大熱門，復(fù)旦教授吳詠時被提名》
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