2019年诺贝尔奖物理学奖预测:这几位日本科学家希望不小

出品:科普中国

制作:可可(关西科健产业研究院)

监制:中国科学院计算机网络信息中心

众所周知,诺贝尔物理学奖的规律性相较其它自然科学奖项较为明显,一言以蔽之——四大领域轮番登台。这四大领域分别是,粒子物理、天体物理、凝聚态物理、原子分子及光物理。

2015年开始,诺贝尔物理学奖先后表彰了如下成果,分别为:2015年的中微子振荡(天体物理或粒子物理)、2016年的拓扑相变(凝聚态物理)、2017年的引力波(天体物理)以及2018年的光镊和啁啾放大(激光物理)。

2019年,将会是一个新周期的起始,自然,2017年和2018年的两大领域再次获奖的可能性会非常小。与之对应,粒子物理和凝聚态物理将迎来属于自己的年代。

综合中外各路预测,2019年诺贝尔物理学奖的获奖领域应该集中在粒子物理或凝聚态物理两个领域,且其中很可能有日本科学家获奖。尤其在凝聚态物理领域,日本科学家中有希望获奖的成果恐怕是一只手都数不过来。

我们今天就来大胆做一波预测,看看下面的这些科学家及他们的成果,能否在今年斩获桂冠。

十仓好纪——电子型高温超导体和多铁性材料

十仓好纪是日本著名的物理学家,东京大学工学系物理工学专业教授,同时兼任理化学研究所创造性物质研发中心的主任。十仓教授在多个领域做出了突出成就,其中代表性较高的是电子型高温超导体的发现、氧化物巨磁阻效应的发现和机理解明、以及关于多铁性材料的基础理论等,其中任何一项成就都有获颁诺奖的可能。另外值得一提的是,他的兄长十仓雅和目前担任著名企业住友化学的董事长。鉴于篇幅所限,我们今天主要说说如何来理解电子型高温超导体。

十仓好纪教授,来源:https://blog.miraikan.jst.go.jp/topics/201409122014-3.html

处于超导状态下的物质,电阻变为0,传输电流时几乎不发生电能损耗。然而,在铜氧化物高温超导体出现之前,绝大多数超导材料的超导临界转变温度都在零下250摄氏度附近。铜氧化物超导体将这一温度提高到了零下138度左右,虽然距离常温超导的终极梦想仍然路途遥远,更高的超导临界转变温度仍然可以尽可能降低冷却介质的成本,具有重要的研究和应用价值。

在十仓教授的成果问世之前,人们已经获得的超导材料中负责传输电流的载流子不是电子,而是“空穴”。因此,人们普遍认为,电子型高温超导体并不存在。1989年,十仓教授在《自然》杂志上发表论文,宣布在铜氧化物高温超导体中发现了电子型超导体。论文一经发布,立即在全世界引发轰动,电子型高温超导体的发现,标志着人类对超导物理本质的认识突破了固有枷锁,开辟了一个全新的研究领域。十仓教授多年来始终站在当代凝聚态物理学研究的最前沿,各国科技媒体和专业人士普遍看好他角逐诺奖的前景。

细野秀雄——铁基高温超导

第二项预测同样是关于超导,而且同样颠覆了人们对超导材料的固有认知,它的发现者是来自东京工业大学前沿材料研究所的细野秀雄教授。细野教授同样是一位学术成果极为丰硕的学者,他的研究领域包括无机材料、纳米多孔机能材料、超导材料、光电子材料以及透明氧化物半导体等。他最大的成就是铁基高温超导的提出,同时他还是液晶面板的主流技术路线之一的IGZO(氧化铟镓锌,indium gallium zinc oxide)的奠基人之一。

细野秀雄教授,来源:https://blog.miraikan.jst.go.jp/images/細野秀雄先生From東工大さんページ.jpg

在超导技术研究早期,人们在一系列金属以及金属氧化物上实现了超导,然而,铁始终是人们敬而远之的对象。这是因为铁具有磁性,与早期人们观点中实现超导的条件相违背。2008年,细野教授在铁中加入砷和其它元素,制成了铁基超导体。相关论文经过发表后,2008年当中被引用超过2000次,成为了当年的最高被引论文。到2014年,关于铁基超导体的研究论文已经有超过2000篇,让停滞多年的超导领域重新焕发了活力。

其实,铁基超导体的发现过程充满了偶然性,细野教授最初的目标并非制备铁基超导体,而是在开发陶瓷半导体的过程中,试图以铁代替铜以节约成本。如下图所示,陶瓷半导体是一种突破传统陶瓷材料绝缘性的新型材料。科学家们通过有效调控陶瓷结构,可以让陶瓷具有一定的导电性质,获得陶瓷半导体。细野教授将已有陶瓷半导体中的Se-Cu层以其它类似元素进行替代,并测试所得材料的性能。当用As-Fe层进行替代后,细野教授惊奇的发现这种材料具备了超导特性,从此,铁基超导体登上了人类科技舞台。

铁基超导体晶体结构示意图,来源:https://blog.miraikan.jst.go.jp/topics/201409102014-2.html

饭岛澄男——诺奖遗珠碳纳米管

第三项预测来自纳米材料领域。众所周知,从上世纪后20年开始的纳米材料革命在众多方面都改变了人类的生活。这场革命中,碳纳米管绝对算得上是一个标志性成就。碳纳米管的发现者,名城大学终身教授、NEC特别主席研究员饭岛澄男常年被认为是诺贝尔奖的有力竞争者。其实,他的研究领域并非材料而是高分辨电子显微学技术。饭岛教授从硕士阶段开始进入电子显微学领域,它与电子显微镜的邂逅最初竟是一场美丽的意外。

饭岛澄男教授,来源:https://www.natureasia.com/ja-jp/nature/interview/contents/13

1963年,饭岛澄男从电气通信大学毕业,报考东北大学理学研究科物理学专业,希望继续攻读硕士学位。由于是外校生,对各个实验室了解很少,直到面试时都没有决定自己今后的研究方向。面试时,一位考官一句无心的建议,让他选择了电子显微镜作为自己终身的志向。上世纪70年代开始,日本电子显微镜业界在全世界成功逆袭,攻入飞利浦和西门子把持的高端电镜市场,饭岛教授也利用这一有利契机,不断精进研究,成长为世界级的电镜专家。

1985年,足球烯碳60被美国科学家发现,他们利用核磁共振等技术确认了这种当时仍然未知的碳单质。然而,由于缺乏直接的观测证据,一个分子中有着60个原子的奇妙球形构造仍然不为科学界所认同。直到1990年,饭岛教授通过透射电镜直观地观察到了足球烯的形态,才平息了所有争议,也让足球烯的三位发现者在日后荣获了诺贝尔奖。

在协助确认足球烯形态后,饭岛教授并未停下探索的脚步。1991年,他希望观察到碳元素在反应过程中是如何相互卷曲,形成球状结构的。于是,他重复了足球烯制备的实验,并调整了某些参数,试图寻找到有趣的结果。然而,令他意外的是,制备足球烯的尝试没成功,反而制备出了一系列纳米级别的管状构造,这就是后来被称为碳纳米管的一种全新材料。

几种不同构型的纳米碳管,作者:Mstroeck(https://zh.wikipedia.org/wiki/File:Types_of_Carbon_Nanotubes.png)

至今,碳纳米管已经被发现了将近30年,它的各种关联应用仍然是当今的研发热点。在这30年中,碳元素的其它几种同素异构体,包括足球烯和石墨烯都获得了诺贝尔奖。然而,碳纳米管却一直没有得到诺奖评委的青睐,这不得不说是一个非常巨大的遗憾。饭岛教授是一位对中国非常友好的老人,多次到访中国,对我国电镜学术研究的发展和中日学术交流也起到过不小的推动作用。在各种访谈中,饭岛教授也隐晦的表达过诺奖评选的失望,希望今年他能够如愿以偿。

大野英男——磁性半导体之父

第四项预测仍然关于凝聚态物理。大野英男为现任日本东北大学校长,被誉为磁性半导体之父。磁性半导体是一种特殊的半导体,既有强磁性又有半导体特性。磁性半导体可以实现对电子自旋状态的控制,是新型电子元器件研究的热门领域。

“自旋”是相当复杂深奥的物理概念,但是我们不妨将其简单化的理解为是电子的转动方向。总的来说,自旋分为两种状态,即下图所示的自旋向上和自旋向下,分别描述从左向右和从右向左两种旋转方式。自旋是描述电子运动状态的重要参数,同时,它也与磁性的产生有关。如果材料中的大量电子同时呈现同一种自旋状态,材料就会显现出磁性。简单来说,半导体主要利用电子的电荷特性,而磁铁则是利用电子的自旋特性。

大野教授在铟-砷或镓-砷这样的半导体化合物中混入一定量具有磁性的锰,最终制成了同时兼具磁性和半导体特性的磁性半导体。这种材料的制备探索起初非常艰难,在克服了一系列难关后才最终实现。磁性半导体在操控电流的同时还能实现对电子自旋的控制,给电子器件的制造带来了全新可能,未来诞生基于磁性半导体的器件甚至是电脑绝非妄言。

大野英男教授和电子自旋示意图,来源:https://www.flickr.com/photos/169107515@N05/46673593961/in/dateposted-public/

每次日本科学家获得诺贝尔奖,都会多少对我们有些刺激。写作这篇文章的目的绝非盲目吹捧日本在物理领域特别是凝聚态物理领域的研究实力。相反,这些成就大部分都来自二三十年之前,而那时中国的科技发展水平与今天完全是云泥之别。还是那句话,经济发展积累到一定程度,诞生诺奖就是水到渠成的事情。不怨天,不自怨,踏实走好每一步,才是取得成就的根本。

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