2024诺贝尔物理学终极预测！凝聚态物理大热门，复旦教授吴咏时被提名

今年的诺贝尔物理学奖，将于今天下午颁奖。《物理世界》杂志预测：夺奖热门是凝聚态物理（魔角石墨烯）和超材料。复旦大学施郁教授则押宝分数统计和任意子领域。

2024年诺贝尔物理学奖，就要在今天下午开奖了！

现在，网上已经出了许多版本的获奖预测。

凝聚态物理、量子计算、超材料等，都是夺奖的热门方向。

其中，凝聚态物理是从业人数最多的研究领域，也是传统诺奖大户，因而成为业界呼声最高的夺奖方向。

复旦大学施郁教授认为，诺贝尔物理学奖获奖领域主要集中于四大领域：粒子物理、原子分子光物理、凝聚态物理、天体物理。今年的物理学奖，他预测可能会授予研究分数统计和任意子领域

目前已经获得较多预测提名的有——

• 凝聚态物理领域：Rafi Bistritzer、Pablo Jarillo-Herrero、Allan H. MacDonald

• 量子计算领域：David Deutsch、Peter W. Shor

• 任意子领域：Alexei Kitaev、Frank Wilzcek

• 分数统计：Jon M. Leinaas、Jan Myrheim、吴咏时、Bertrand Halperin、Gwendal Fève

而发现了量子反常霍尔效应的薛其坤，和发现了中微子的第三种振荡模式的王贻芳，也都是众人期待的夺奖热门。

杨振宁曾评价薛其坤的科研成果是「诺贝尔奖级的物理学论文」，称他是离诺贝尔奖最近的人

凝聚态和超材料呼声极高

每次诺奖物理学奖公布前夕，英国物理学会杂志《物理世界》都会进行一番预测。

在2023年，他们就创造了「三押两中」的辉煌战绩。

今年，《物理世界》的预测是：凝聚态和超材料。

为了预测效果更好，他们创建了一个信息图。

这个信息图展示了历届诺奖物理学奖的历史，并且按照获奖工作的学科进行了分类，包括天体物理、粒子物理、应用物理、量子物理、凝聚态物理、经典物理、原子分子和光物理七大类。

在信息图中，这个奖项被归类为「原子、分子和光学」，它位于信息图的顶部，通过深蓝色线条与其类别相连。

仔细看这幅信息图，会发现信息量极大。

首先，它揭示了哪些物理学学科最受历届诺奖委员会的关注。

此外，它还显示出，某些学科的地位是忽冷忽热的，但另一些学科在过去的120年里，一直在稳定地产生诺奖获奖者。

比如，量子物理学在1910-1950年代，曾经深受诺奖委员会的青睐，但随后它完全失宠了，直到2012年才重新受到关注。

从信息图中还可以看出，在大约1990年之后，学科之间往往存在着非常明显的间隔。

据此，《物理世界》展开分析，并且利用结果进行了预测——

今年的获奖领域，很可能就是凝聚态物理学！其中可能包括「魔角石墨烯」和「超材料」。

用信息图预测的准确性有多大呢？

可以说有一定的准确性。

去年，《物理世界》就注意到原子、分子和光学物理学应该会获得一个奖项。

2023年信息图

根据这个观察，他们预测Paul Corkum、Ferenc Krausz和Anne L'Huillier将在2023年获奖。

三个获奖者押中了两个，表明信息图的预测能力着实不错！

接下来，就等下午的开奖了。

魔角石墨烯

魔角石墨烯领域比较出名的华人学者了，当属「魔角天才」曹原了。

2018年，MIT的Pablo Jarillo-Herrero和曹原等发现了「双电子学」，这项技术通过旋转材料的相邻层来调整石墨烯的电子特性，极有前景。

团队利用该技术制造了「魔角石墨烯」，行为类似于高温超导体。

石墨烯是一层只有一个原子厚的碳层，具有蜂窝状晶格。双层石墨烯是两层的堆叠，其中两个晶格通常以特定方式排布。

Jarillo-Herrero领导的研究小组发现，将两片原子厚度的碳（石墨烯）堆叠在一起，然后扭转薄片，使它们之间的角度（即理论上预测的「魔角」）为 1.1°，该材料会在1.7 K温度下变成超导体。

这种超导的实现，是通过使用外加电场向扭曲双层添加电子完成的。这即为「双电子学」。

双电子学的发展，已经引发了石墨烯研究中几个重要的后续发现。

哥伦比亚大学的科学家设计了一种方法来微调二维材料相邻层之间的角度，从而控制电子特性。这凸显了双电子学作为设备工程替代范例的极大潜力。

哥伦比亚大学的研究人员表明，他们可以通过实时改变晶体之间的角度来微调氮化硼上的石墨烯等二维异质结构的电子、机械和光学特性

进一步的理论研究，为双层和多层石墨烯系统中的电子跃迁提供了见解。

物理学理论家发现了拓扑超导和材料边缘拓扑「马约拉纳态」的存在，它们都具有非常规超导的潜力。

石墨烯网络

这些状态对于在量子计算机中创建量子比特也非常有用，因为它们比许多替代品更能抵抗环境扰动。

说回曹原。

2018年，年仅22岁的曹原因发现石墨烯超导角度轰动国际学界，开辟了凝聚态物理研究的新领域，成为《Nature》创刊149年来以第一作者身份发表论文的最年轻中国学者。

当年《Nature》发布的「年度世界十大科学人物」中，曹原位居榜首。

在魔角三层石墨烯上，曹原发现了在强磁场中罕见的超导现象。

研究发现，当θ等于大约1.6°的魔角时，系统进入强耦合状态的角度。

魔角三层石墨烯中罕见的自旋三重态超导现象

超导性源于电子结合成称为库珀对的两个电子。在自旋单重态 「库珀对」中，电子自旋（内在角动量）向相反的方向。

而在石墨烯材料平面存在强磁场的情况下，自旋单线态「库珀对」拉开，因为一种称为「塞曼效应」的现象导致自旋在同一方向上排列。

这种特性被称为「自旋三重态」。

未来，这种奇异的超导体可以极大地改进磁共振成像（MRI）技术。

24年7月，曹原正式入职加州大学伯克利分校。

而就在今年8月，曹原发了第九篇Nature，探讨了二维材料上的多自由度控制。

论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07826-x

此外，夺奖呼声很高的还有一位理论凝聚态物理学家Allan H. MacDonald。

2011年，MacDonald和其实验室的前博士后研究员Rafi Bistritzer预测，将石墨烯双层扭转到一个神奇的相对取向角度时，有可能实现强关联物理学。

这一发现为「扭转电子学」领域埋下了伏笔。随后，MIT的实验员Pablo Jarillo-Herrero发现，正是魔角导致了科学家所预测的不寻常的电特性。

2020年，MacDonald因预测了将扭曲双层石墨烯转变为超导体的魔角，而成为沃尔夫物理学奖获得者之一。

超材料

超材料是能够实现自然不存在的电磁特性的人造材料，例如负折射率或电磁隐身。

20世纪60年代，Victor Veselago首次描述了超材料的理论特性，他专注于负折射率材料的纯理论（当时）概念。他的想法在世纪之交变成了现实。

超材料通常由多个晶胞组成，每个元素的尺寸远小于与其相互作用的波长。这些单元电池是用金属和塑料等电介质等传统材料在微观上制成的。

然而，它们的确切形状、几何形状、尺寸、方向和排列可以以非常规的方式宏观地影响光，例如产生共振或宏观介电常数和磁导率的异常值。

可用超材料的一些例子包括负折射率超材料、手性超材料、等离子体超材料、光子超材料等。

第一个物理超材料由John Pendry开发。

在2000年，他第一个找到了制造左手超材料的实用方法，左手超材料是一种不遵循右手定则的材料，这种材料允许电磁波相对于其相速度传递能量。

而David R. Smith第一个通过实验证明具有负折射率的材料。

在2006年，他们实现了首个不完美的隐形斗篷。

当隐形装置处于活动状态时，光线会在物体周围「偏转」，使其看起来好像不存在一样，从而使其不可见

物理学博士预测

Superconformal Hassaan是一名奥尔巴尼大学的在读博士。

去年，他就押中了获奖名单的其中两人。

今年，他也给出了自己的预测名单。

光学

1.Federico Capasso（量子级联激光器和超构光学）

2.Stephen Forrest（有机电子学）

3.Peter Zoller（量子模拟）

4.Jun Ye（原子钟）

5.Hidetoshi Katori（原子钟魔法波长）

拓扑系统

1. Michael Berry（Berry相位）

2. Alexei Kitaev（任意子）

3. Frank Wilzcek（任意子）

量子计算

1.David Deutsch（量子计算）

2.Giles Brassard（量子计算）

3.Charles Bennett（量子计算）

4.Peter Shor（量子计算）

超材料

1. Sajeev John（光子晶体）

2. Eli Yablanovich（光子晶体）

3. John Pendry（负折射率）

粒子物理学

1. Francis Halzen（宇宙中微子冰立方实验）

理论和观测宇宙学

1. Lyman Page（威尔金森微波各向异性探测器项目）

2. David Spergel（威尔金森微波各向异性探测器项目）

3. Alan Guth（宇宙膨胀）

4. Salva Mukhanov（CMB频谱）

5. Andrei Linde（宇宙膨胀）

最后，这位博士还给出了他心目中的提名。

1. Claudio Pellegrini（X射线自由电子激光器）

2. Christopher Gerber（原子力显微镜）

3. Jarillo Herrero（转角双石墨烯）

4. Juan Ignacio Cirac（离子阱量子计算）

5. CV Shank（激光物理学）

6. Roger Stolen（激光物理学）

距离2024年诺贝尔物理学奖的颁布，倒计时还有不到5小时，接下来让我们坐等开奖！

参考资料：

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