Physics World 评选出2018年度十大科学突破_风闻
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2018-12-25 13:45
原创：中科院物理所
近日，英国物理学会（IOP）主办的《Physics World（物理世界）》杂志评选出2018年十大科学突破。美国麻省理工学院（MIT）的Pablo Jarillo-Herrero和他的同事们因为开创了“转角电子学（twistronics）”这一全新研究方向而获得了2018年度的科学突破奖，这使得科学家可以通过控制层状材料层与层之间的转角来调节它们电子的性质。该团队利用全新的技术首次制备出了“魔角”双层石墨烯，并在其中发现了类似高温超导体的特性。2018十大年度突破中的其他九项成果也获得高度评价，他们研究的主题覆盖了从第一个全身PET/CT扫描到零碳离子喷射飞机。
《物理世界》2018年的十大突破奖授予了2018年在physicworld.com上报道过的研究。 获奖者由《物理世界》编辑选择，评判标准包括：
知识或理解方面的重大进步；
科学进步和/或实际应用开发工作的重要性；
物理世界读者普遍感兴趣。
“魔角”石墨烯开启转角电子学新时代
石墨烯是按照蜂巢形状堆叠的单层碳原子。双层石墨烯就是将两层石墨烯叠在一起，每层石墨烯都有其各自特定的指向。Jarillo-Herrero和他的同事发现当把石墨烯的指向旋转到特定的方向时，体系会表现出莫特绝缘体的性质。
这个团队由来自麻省理工学院、哈佛大学和日本国家材料科学研究所的科研人员组成，他们发现如果利用电场在双层石墨烯上吸附电子，就能将它变成超导体。
转角电子学的发现已经引发了石墨烯研究中的一系列重要的进展。来自哥伦比亚大学的科学家已经发现了一种微调两层石墨烯之间转角的方法并可以通过这种方法控制电子的性质。这大大增加了石墨烯的应用潜力。
进一步的理论研究揭示了双层和三层石墨烯中的电子跃迁。理论物理学家已经指出非常规超导体具有巨大潜力，包括拓扑超导电性、材料边界存在拓扑的“马约拉纳态”。这些态非常适合制造量子计算机中的量子比特因为它们在环境的扰动中表现出更强的稳定性。
最近发现，在二维材料中施加转角可以抑制反转散射（U-过程），这种散射会降低高温下载流子的迁移率。
多功能碳纤维使“无质量”储存成为可能
查尔姆斯理工大学的Leif Asp及其在瑞典，意大利和法国的合作伙伴，因使用多功能碳纤维揭示无质量储能的应用潜力而获奖。尽管储能技术已有了长足进步，但电池仍然是笔记本电脑甚至汽车等设备重量的重要组成部分。
除了优化的电池材料来减轻重量，Leif Asp及其合着者表示，还可以利用用于结构支撑的碳纤维的电化学特性使设备重量下降50％。
Leif Asp和碳纤维纱筒
补偿器推动先进放射性治疗方法在全球的普及
华盛顿大学医学中心的Eric Ford及其同事发明了一种低成本调强放疗（IMRT）方法。 IMRT是一种精密治疗技术，它使用复杂的多叶准直器（MLC）来束缚光子束，这样可以减少对健康组织的伤害。 虽然调强放疗基本已被高收入国家的所有放射治疗诊所使用，但低收入和中等收入国家的大部分地区却无法配备它。为了解决这一不足，Ford和一个团队开发了一种低成本的多叶准直器替代品，它是一个由轻质塑料模具制成的补偿器环，里面充满了如钨珠等衰减珠子。该设备可以装备到现有的直线加速器和钴远程治疗单元上，使得诊所无需购买新的治疗系统就可以增加调强放疗功能。
联合国政府间气候变化专门委员会关于气候变化1.5°C的特别报道
政府间气候变化专门委员会(IPCC)因在10月份的专题报道中报道气候变化1.5°C而获奖。这项工作由来自40个国家的91名作者完成。这份报告源于2015年巴黎气候大会，报告指出如果可以将气候变暖限制在1.5°C以内，气候变化造成的影响就不会太大。
“全球温度每升高一点都会造成显著的后果，尤其是升高1.5摄氏度或以上会增加对地球造成不可逆影响的风险。”IPCC第二工作组的联合负责人Hans-Otto Portner说道。
EXPLORER PET/CT 首次实现全身扫描
EXPLORER consortium因使用他们的全身PET扫描仪实现人体成像而获奖。
EXPLORER PET/CT是世界上首台可以对整个人体同时3D显像的医疗成像系统。这套由加州大学戴维斯分校(UC Davis)的科学家和一个多机构联合团队开发的系统将PET系统的扫描速度提高40倍，这样人体承受的辐射量会减少至原来的四十分之一。这使得在人体上进行重复扫描成为可能，也可以大幅度减少儿科检查中的辐射量。这种高灵敏度的扫描仪还可以拍摄追踪放射性标记药物在体内移动的影片。
无内燃机、无螺旋桨飞机的研制成功
Steve Barrett和他在麻省理工学院的同事Steve Barrett因制造第一架不需要内燃机、螺旋桨的飞机而获奖。
这架飞机的翼展为5米，由带电离子组成的“离子风”驱动。
Steve Barrett表示，他的工作受到儿时喜爱的《星际迷航》的启发:“未来的飞机应该是无声的，没有活动部件的，也许只能看到一道蓝光，而看不到类似螺旋桨或涡轮机之类的东西。所以我开始思考如何让没有运动部件的飞行成为可能。”
离子飞机飞行时的延时图像
实验验证量子力学打破因果序
昆士兰大学的Jacqui Romero、Fabio Costa、Kaumudibikash Goswami、Christina Giarmatzi、Michael Kewming和Andrew White以及Grenoble Alpes大学的Cyril Branciard因实验证明量子力学中没有明确因果顺序的事件也可以发生而获奖。这与经典物理学和日常生活经验不同，在经典物理学中，先后发生的事件之间存在严格的因果关系。为了观察不确定的因果关系，研究小组发明了一个“量子开关”，光子可以选择两条不同的路径。一种路径是光子在B操作之前受到A操作的影响，而另一种路径是光子在A操作之前受到B操作的影响。如果两种操作一起实施，那么无法判断哪一个操作在前哪一个操作在后。不确定的因果顺序——连同团队创造的量子开关——可能对处理量子信息有用。
激活视网膜干细胞可以恢复小鼠的视力
来自西奈山伊坎医学院的Bo
Chen以及一个国际研究小组因通过激活视网膜干细胞成功恢复小鼠视力而获奖。在冷血脊椎动物中，Muller胶质细胞(MGs)扮演视网膜干细胞的角色，它可以修复受损的视网膜神经元，恢复视力。然而在哺乳动物中，MGs并没有再生能力。在这项研究中，Chen和他的同事们试图通过两步基因转移方法来重新激活失明小鼠的MGs。在转移完成后的4到6周，老鼠能够感知光线并恢复视力。虽然还需要进一步的测试来确定视力改善的程度，但这种方法总有一天会改变对视网膜退行性疾病的治疗方法，这些疾病目前还没有治愈方法。
远古的氢提供暗物质是什么的线索
亚利桑那州立大学的Judd Bowman、Raul Monsalve、 Thomas Mozdzen 和 Nivedita Mahesh以及麻省理工学院的Alan Rogers利用edge射电望远镜观测到了宇宙大爆炸后仅1.8亿年就存在的氢气，它的温度比预期的要低;特拉维夫大学的Rennan Barkana认为这可能是首次直接观测到暗物质和传统物质之间的非引力相互作用。虽然还需要进一步的观察来支持这一假设，但这项研究可能有助于解开物理学中最重要的未解之谜之一:暗物质的本质是什么?
暗物质冷却了来自远古的氢吗
准晶中的超导
Keiichiro Imura、KazuhikoDeguchi,Tsutomu Ishimasa、 Keisuke Kamiya、Nobuo Wada和名古屋大学的Noriaki Sato、丰田工业大学的Tsunehiro Takeuchi、丰田物理化学研究所的TsunehiroTakeuchi和东北大学的Noriyuki Kabeya因发现第一个超导准晶体而获奖，这是一种超导转变温度0.005K的合金材料。传统超导体因电子通过电声耦合形成配对而实现超导。当电子对通过声子的相互作用而形成时，就会产生传统的超导性，晶格的存在才导致了这种超导的产生。准晶体不具有平移对称，因此不具有晶格，所以它应该不是传统超导体。自从1984年第一个准晶体被发现以来，一些物理学家就提出，准晶体中可能存在超导性，而现在这一发现可能会导致新的超导材料的出现。
原文链接：
