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新鲜出炉:2018年度物理学十大突破

2018-12-14  文明世界...

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2018年度十大突破的榜单由《物理世界》(Physics World)杂志评选产生,他们遴选的标准有以下三条:

在知识或认识方面的重大进展;

对科学进步or实际应用开发的重要性;

并综合考虑《物理世界》大部分读者的兴趣。

重大突破榜单为:

麻省理工学院(MIT)的Pablo Jarillo-Herrero及其同事催生了扭转技术(Twistronics),这是一种非常有前景的全新技术,通过旋转相邻两层石墨烯来调控石墨烯的电性质。

该团队最初运用这项技术来制备具有高温超导体特性的“魔角石墨烯”。

2018年度十大突破榜单中的其他9项成果也受到了高度评价。

2018年度重大突破榜首

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新的扭转:魔角双层石墨烯

石墨烯是由厚度只有一个原子的碳原子层组成蜂巢晶格的二维碳纳米材料。双层石墨烯是通常以特定方式堆叠在一起的两层石墨烯。

当Pablo Jarillo-Herrero及其同事将双层石墨烯的排列方向以一个魔角扭转时,发现了原始双层石墨烯中的Mott绝缘体态。

该研究团队汇集了麻省理工学院、哈佛大学和日本国立材料科学研究所(NIMS)的研究人员,他们继而还发现,在Mott绝缘态情况下加入少量电荷载流子,就可以成功转变为超导态。

魔角石墨烯的成功制备已经激发了石墨烯研究领域的好几个重要后续成果。

哥伦比亚大学的科学家们设计了精细调控二维材料相邻层角度的方法,从而操控材料的电性质。这凸显了扭转技术成为器件工程学中另类范例的潜力。

进一步的理论研究提供了双层和多层石墨烯系统的电性质转变的洞见。

理论学家们强调了非传统超导电性,包括拓扑超导电性以及材料边缘存在的拓扑马约拉纳态。

这些态对于产生量子计算机的量子比特特别有用,因为它们比很多其他选择更难抵御环境微扰。

更近的研究发现,通过扭转二维材料的相邻层,还能有助于避免反转散射(Umklapp scattering),反转散射会降低高温下的载流子迁移率。

以下是其他九项受到高度评价的突破,排名不分先后:

多功能碳纤维实现无质量能量存储

瑞典查尔姆斯理工大学的Leif Asp及其瑞典、意大利、法国的合作者展示了利用多功能碳纤维实现有效的无质量能量存储的可能性。

尽管能量存储技术在不断进步,电池仍然在笔记本电脑乃至电动汽车等设备中占据了很大一部分的重量。

Leif Asp及其合作者没有仅仅聚焦于通过优化电池材料来满足轻便的要求,而是表明利用作为结构支持的碳纤维的电化学特性,能够使设备的质量减轻多达50%。

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▲准备滚起来:Leif Asp与碳纤维滚筒

补偿环使更多的人能够享受到先进的放射治疗

华盛顿大学医学中心Eric Ford等研究热源发明了一种实现调强放疗(IMRT)的低成本方法。

IMRT是一种精密的治疗技术,它使用复杂的多叶准直器(MLCs)来形成光子束,从而使更多健康组织不受影响。然而,尽管IMRT几乎在高收入国家的所有放疗诊所都可以使用,但在低收入和中等收入国家的广大地区却基本没有。

为了弥补这一缺陷,福特和一个多元化团队开发出了一种成本效益高的MLC替代品,用一种由填充有衰减微珠(如钨微珠)的轻型塑料模具制成的补偿环来替代它。

该装置可用于现有的直线性加速器(linac)和cobalt远程治疗机,使诊所无需购买新的治疗设备就可以实现IMRT。

IPCC关于1.5摄氏度气候变化的特别报告

政府间气候变化专门委员会(IPCC)于10月份发布的关于1.5摄氏度气候变化的特别报告。这份报告由来自40个国家的91位作者和评论编辑撰写,是基于2015年巴黎气候谈判的结果。

报告强调,如果世界各国齐心协力,将全球变暖控制在1.5摄氏度以内,那么气候变化的影响是可以避免的。

IPCC第二工作组的联合负责人Hans-Otto Portner表示:“气候变暖温度每升高一点都会带来非常重要的影响,尤其是升高1.5摄氏度以上会增加长期的或不可逆转的变化,比如某些生态系统的消失。”

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▲在一个温度比工业化前水平高2℃的世界里,冰川和海冰的处境堪忧

EXPLORER PET/CT首次实现全身扫描

EXPLORER利用他们的全身PET扫描仪制作了第一张人体图像。EXPLORER PET/CT是世界上第一个能够同时捕捉整个人体三维图像的医学成像系统,由加州大学戴维斯分校的科学家和一个多元化团队共同开发。

扫描速度可达目前PET系统的40倍,但使用辐射剂量减少到了1/40,这使得在个人身上的重复使用成为可能,同时大大减少儿科研究的辐射剂量。

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过程。

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▲这台机器结合了两种常见的成像类型:正电子发射断层扫描(PET)和X射线计算机断层扫描(CT),可以同时对整个身体进行成像

无燃料、无螺旋桨飞机起飞

麻省理工学院的研究人员Steve Barrett展示了第一架不使用内燃机、无螺旋桨飞机的飞行。

这架飞机的翼展为5米,由固态无活动机械的“离子引擎”为推力。

在宣布这次飞行时,Steve Barrett表示,他的灵感来自儿时对《星际迷航》(Star Trek)的热爱:“未来的飞机飞起来后应该是无声的,看不到任何'动'的部件——也许就看到一束蓝光,但肯定没有类似螺旋桨或涡轮机之类的东西。所以我开始寻找什么物理原理可以让没有运动部件的飞行成为可能。”

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▲巡航高度:离子飞机飞行时的延时图像

在量子层面,证实因果关系的“不确定性”

昆士兰大学Jacqui Romero、Fabio Costa等和格勒诺布尔-阿尔卑斯大学Cyril Branciar的研究人员通过实验证明,量子力学可以让事件在没有明确因果顺序的情况下发生。

这与经典物理学不同,也与我们日常生活不同。在经典物理学中,连续事件之间有着严格的因果关系(我们通常认为,事件的发生是按照一定的时间顺序进行,比如A事件造成了B事件,反之亦然)。

为了观察不确定的因果关系,该团队创造了一个“量子开关”,其中一个光子可以走两条路径。

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。

如果这些操作在时间上紧密结合在一起执行,那么就不可能判断哪个操作首先完成。

不确定的因果顺序——连同团队的量子开关——可能对处理量子信息有用。

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激活视网膜干细胞可以恢复小鼠的视力

西奈山伊坎医学院Bo Chen和一个国际研究团队,通过激活视网膜干细胞成功恢复了小鼠视力。

在冷血脊椎动物中,米勒胶质细胞(Müller glia cells,MGs)发挥视网膜干细胞的作用,可以补充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,Bo Chen和他的同事们试图通过两步基因转移过程来重新激活失明小鼠的MGs。重新编程后的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,但总有一天,这种方法可用于治疗视网膜退行性疾病,而当下,人类对这些疾病还没有治愈方法。

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暗物质冷却远古氢之推测

亚利桑那州立大学Judd Bowman、Raul Monsalve等和麻省理工学院Alan Rogers的研究人员通过 “全天再电离时期信号探测实验” (EDGES)射电望远镜观察到宇宙大爆炸后仅1.8亿年就存在的比预期更冷的氢气。

特拉维夫大学Rennan Barkana计算出,这可能是首次直接观测到暗物质与常规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: 暗物质到底是什么?

发现准晶体的超导性

名古屋大学Keiichiro Imura、Kazuhiko Deguchi等、丰田工业大学Tsunehiro Takeuchi、丰田理化学研究所Tsutomu Ishimasa等研究人员首次发现超导准晶体——金属合金准晶体在温度低于0.05 K时是一种超导体。

当电子对通过与声子的相互作用形成时,传统的超导性就产生了,这有点类似通过晶体晶格传播的粒子变形。

准晶体不具有平移对称,因此没有晶体晶格,因而不是传统的超导体。

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。现在,终于有人发现,而这一发现可能会促使显示分形超导性新材料的产生。

作者:哈米什·约翰斯顿编辑:顾军责任编辑:许琦敏

来源:物理世界、世界科学

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