來源：中科院物理所微信公眾號(hào)
作者：Hamish Johnston
翻譯：Nothing
審校：Star
近日，英國物理學(xué)會(huì)（IOP）主辦的《Physics World（物理世界）》雜志評(píng)選出2018年十大科學(xué)突破。美國麻省理工學(xué)院（MIT）的Pablo Jarillo-Herrero和他的同事們因?yàn)殚_創(chuàng)了“轉(zhuǎn)角電子學(xué)（twistronics）”這一全新研究方向而獲得了2018年度的科學(xué)突破獎(jiǎng)，這使得科學(xué)家可以通過控制層狀材料層與層之間的轉(zhuǎn)角來調(diào)節(jié)它們電子的性質(zhì)。該團(tuán)隊(duì)利用全新的技術(shù)首次制備出了“魔角”雙層石墨烯，并在其中發(fā)現(xiàn)了類似高溫超導(dǎo)體的特性。2018十大年度突破中的其他九項(xiàng)成果也獲得高度評(píng)價(jià)，他們研究的主題覆蓋了從第一個(gè)全身PET/CT掃描到零碳離子噴射飛機(jī)。
《物理世界》2018年的十大突破獎(jiǎng)授予了2018年在physicworld.com上報(bào)道過的研究。 獲獎(jiǎng)?wù)哂伞段锢硎澜纭肪庉嬤x擇，評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)包括：
知識(shí)或理解方面的重大進(jìn)步；
科學(xué)進(jìn)步和/或?qū)嶋H應(yīng)用開發(fā)工作的重要性；
物理世界讀者普遍感興趣。
“魔角”石墨烯開啟轉(zhuǎn)角電子學(xué)新時(shí)代
石墨烯是按照蜂巢形狀堆疊的單層碳原子。雙層石墨烯就是將兩層石墨烯疊在一起，每層石墨烯都有其各自特定的指向。Jarillo-Herrero和他的同事發(fā)現(xiàn)當(dāng)把石墨烯的指向旋轉(zhuǎn)到特定的方向時(shí)，體系會(huì)表現(xiàn)出莫特絕緣體的性質(zhì)。
這個(gè)團(tuán)隊(duì)由來自麻省理工學(xué)院、哈佛大學(xué)和日本國家材料科學(xué)研究所的科研人員組成，他們發(fā)現(xiàn)如果利用電場(chǎng)在雙層石墨烯上吸附電子，就能將它變成超導(dǎo)體。
轉(zhuǎn)角電子學(xué)的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)引發(fā)了石墨烯研究中的一系列重要的進(jìn)展。來自哥倫比亞大學(xué)的科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種微調(diào)兩層石墨烯之間轉(zhuǎn)角的方法并可以通過這種方法控制電子的性質(zhì)。這大大增加了石墨烯的應(yīng)用潛力。
進(jìn)一步的理論研究揭示了雙層和三層石墨烯中的電子躍遷。理論物理學(xué)家已經(jīng)指出非常規(guī)超導(dǎo)體具有巨大潛力，包括拓?fù)涑瑢?dǎo)電性、材料邊界存在拓?fù)涞摹榜R約拉納態(tài)”。這些態(tài)非常適合制造量子計(jì)算機(jī)中的量子比特因?yàn)樗鼈冊(cè)诃h(huán)境的擾動(dòng)中表現(xiàn)出更強(qiáng)的穩(wěn)定性。
最近發(fā)現(xiàn)，在二維材料中施加轉(zhuǎn)角可以抑制反轉(zhuǎn)散射（U-過程），這種散射會(huì)降低高溫下載流子的遷移率。
多功能碳纖維使“無質(zhì)量”儲(chǔ)存成為可能
查爾姆斯理工大學(xué)的Leif Asp及其在瑞典，意大利和法國的合作伙伴，因使用多功能碳纖維揭示無質(zhì)量儲(chǔ)能的應(yīng)用潛力而獲獎(jiǎng)。盡管儲(chǔ)能技術(shù)已有了長足進(jìn)步，但電池仍然是筆記本電腦甚至汽車等設(shè)備重量的重要組成部分。
除了優(yōu)化的電池材料來減輕重量，Leif Asp及其合著者表示，還可以利用用于結(jié)構(gòu)支撐的碳纖維的電化學(xué)特性使設(shè)備重量下降50%。
Leif Asp和碳纖維紗筒
補(bǔ)償器推動(dòng)先進(jìn)放射性治療方法在全球的普及
華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的Eric Ford及其同事發(fā)明了一種低成本調(diào)強(qiáng)放療（IMRT）方法。 IMRT是一種精密治療技術(shù)，它使用復(fù)雜的多葉準(zhǔn)直器（MLC）來束縛光子束，這樣可以減少對(duì)健康組織的傷害。 雖然調(diào)強(qiáng)放療基本已被高收入國家的所有放射治療診所使用，但低收入和中等收入國家的大部分地區(qū)卻無法配備它。為了解決這一不足，F(xiàn)ord和一個(gè)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種低成本的多葉準(zhǔn)直器替代品，它是一個(gè)由輕質(zhì)塑料模具制成的補(bǔ)償器環(huán)，里面充滿了如鎢珠等衰減珠子。該設(shè)備可以裝備到現(xiàn)有的直線加速器和鈷遠(yuǎn)程治療單元上，使得診所無需購買新的治療系統(tǒng)就可以增加調(diào)強(qiáng)放療功能。
聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)關(guān)于氣候變化1.5°C的特別報(bào)道
政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）因在10月份的專題報(bào)道中報(bào)道氣候變化1.5°C而獲獎(jiǎng)。這項(xiàng)工作由來自40個(gè)國家的91名作者完成。這份報(bào)告源于2015年巴黎氣候大會(huì)，報(bào)告指出如果可以將氣候變暖限制在1.5°C以內(nèi)，氣候變化造成的影響就不會(huì)太大。 “全球溫度每升高一點(diǎn)都會(huì)造成顯著的后果，尤其是升高1.5攝氏度或以上會(huì)增加對(duì)地球造成不可逆影響的風(fēng)險(xiǎn)?！盜PCC第二工作組的聯(lián)合負(fù)責(zé)人Hans-Otto Portner說道。
EXPLORER PET/CT 首次實(shí)現(xiàn)全身掃描
EXPLORER consortium因使用他們的全身PET掃描儀實(shí)現(xiàn)人體成像而獲獎(jiǎng)。
EXPLORER PET/CT是世界上首臺(tái)可以對(duì)整個(gè)人體同時(shí)3D顯像的醫(yī)療成像系統(tǒng)。這套由加州大學(xué)戴維斯分校（UC Davis）的科學(xué)家和一個(gè)多機(jī)構(gòu)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)開發(fā)的系統(tǒng)將PET系統(tǒng)的掃描速度提高40倍，這樣人體承受的輻射量會(huì)減少至原來的四十分之一。這使得在人體上進(jìn)行重復(fù)掃描成為可能，也可以大幅度減少兒科檢查中的輻射量。這種高靈敏度的掃描儀還可以拍攝追蹤放射性標(biāo)記藥物在體內(nèi)移動(dòng)的影片。
無內(nèi)燃機(jī)、無螺旋槳飛機(jī)的研制成功
Steve Barrett和他在麻省理工學(xué)院的同事Steve Barrett因制造第一架不需要內(nèi)燃機(jī)、螺旋槳的飛機(jī)而獲獎(jiǎng)。
這架飛機(jī)的翼展為5米，由帶電離子組成的“離子風(fēng)”驅(qū)動(dòng)。
Steve Barrett表示，他的工作受到兒時(shí)喜愛的《星際迷航》的啟發(fā)：“未來的飛機(jī)應(yīng)該是無聲的，沒有活動(dòng)部件的，也許只能看到一道藍(lán)光，而看不到類似螺旋槳或渦輪機(jī)之類的東西。所以我開始思考如何讓沒有運(yùn)動(dòng)部件的飛行成為可能。”
離子飛機(jī)飛行時(shí)的延時(shí)圖像
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證量子力學(xué)打破因果序
昆士蘭大學(xué)的Jacqui Romero、Fabio Costa、Kaumudibikash Goswami、Christina Giarmatzi、Michael Kewming和Andrew White以及Grenoble Alpes大學(xué)的Cyril Branciard因?qū)嶒?yàn)證明量子力學(xué)中沒有明確因果順序的事件也可以發(fā)生而獲獎(jiǎng)。這與經(jīng)典物理學(xué)和日常生活經(jīng)驗(yàn)不同，在經(jīng)典物理學(xué)中，先后發(fā)生的事件之間存在嚴(yán)格的因果關(guān)系。為了觀察不確定的因果關(guān)系，研究小組發(fā)明了一個(gè)“量子開關(guān)”，光子可以選擇兩條不同的路徑。一種路徑是光子在B操作之前受到A操作的影響，而另一種路徑是光子在A操作之前受到B操作的影響。如果兩種操作一起實(shí)施，那么無法判斷哪一個(gè)操作在前哪一個(gè)操作在后。不確定的因果順序——連同團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的量子開關(guān)——可能對(duì)處理量子信息有用。
激活視網(wǎng)膜干細(xì)胞可以恢復(fù)小鼠的視力
來自西奈山伊坎醫(yī)學(xué)院的Bo Chen以及一個(gè)國際研究小組因通過激活視網(wǎng)膜干細(xì)胞成功恢復(fù)小鼠視力而獲獎(jiǎng)。在冷血脊椎動(dòng)物中，Muller膠質(zhì)細(xì)胞（MGs）扮演視網(wǎng)膜干細(xì)胞的角色，它可以修復(fù)受損的視網(wǎng)膜神經(jīng)元，恢復(fù)視力。然而在哺乳動(dòng)物中，MGs并沒有再生能力。在這項(xiàng)研究中，Chen和他的同事們?cè)噲D通過兩步基因轉(zhuǎn)移方法來重新激活失明小鼠的MGs。在轉(zhuǎn)移完成后的4到6周，老鼠能夠感知光線并恢復(fù)視力。雖然還需要進(jìn)一步的測(cè)試來確定視力改善的程度，但這種方法總有一天會(huì)改變對(duì)視網(wǎng)膜退行性疾病的治療方法，這些疾病目前還沒有治愈方法。
遠(yuǎn)古的氫提供暗物質(zhì)是什么的線索
亞利桑那州立大學(xué)的Judd Bowman、Raul Monsalve、 Thomas Mozdzen 和 Nivedita Mahesh以及麻省理工學(xué)院的Alan Rogers利用edge射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到了宇宙大爆炸后僅1.8億年就存在的氫氣，它的溫度比預(yù)期的要低；特拉維夫大學(xué)的Rennan Barkana認(rèn)為這可能是首次直接觀測(cè)到暗物質(zhì)和傳統(tǒng)物質(zhì)之間的非引力相互作用。雖然還需要進(jìn)一步的觀察來支持這一假設(shè)，但這項(xiàng)研究可能有助于解開物理學(xué)中最重要的未解之謎之一：暗物質(zhì)的本質(zhì)是什么？
準(zhǔn)晶中的超導(dǎo)
Keiichiro Imura、KazuhikoDeguchi，Tsutomu Ishimasa、 Keisuke Kamiya、Nobuo Wada和名古屋大學(xué)的Noriaki Sato、豐田工業(yè)大學(xué)的Tsunehiro Takeuchi、豐田物理化學(xué)研究所的TsunehiroTakeuchi和東北大學(xué)的Noriyuki Kabeya因發(fā)現(xiàn)第一個(gè)超導(dǎo)準(zhǔn)晶體而獲獎(jiǎng)，這是一種超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度0.005K的合金材料。傳統(tǒng)超導(dǎo)體因電子通過電聲耦合形成配對(duì)而實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。當(dāng)電子對(duì)通過聲子的相互作用而形成時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生傳統(tǒng)的超導(dǎo)性，晶格的存在才導(dǎo)致了這種超導(dǎo)的產(chǎn)生。準(zhǔn)晶體不具有平移對(duì)稱，因此不具有晶格，所以它應(yīng)該不是傳統(tǒng)超導(dǎo)體。自從1984年第一個(gè)準(zhǔn)晶體被發(fā)現(xiàn)以來，一些物理學(xué)家就提出，準(zhǔn)晶體中可能存在超導(dǎo)性，而現(xiàn)在這一發(fā)現(xiàn)可能會(huì)導(dǎo)致新的超導(dǎo)材料的出現(xiàn)。
