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　　眾所周知，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的規(guī)律性相較其它自然科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)較為明顯，一言以蔽之——四大領(lǐng)域輪番登臺(tái)。這四大領(lǐng)域分別是，粒子物理、天體物理、凝聚態(tài)物理、原子分子及光物理。 

　　2015年開(kāi)始，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)先后表彰了如下成果，分別為：2015年的中微子振蕩（天體物理或粒子物理）、2016年的拓?fù)湎嘧儯蹜B(tài)物理）、2017年的引力波（天體物理）以及2018年的光鑷和啁啾放大（激光物理）。 

　　2019年，將會(huì)是一個(gè)新周期的起始，自然，2017年和2018年的兩大領(lǐng)域再次獲獎(jiǎng)的可能性會(huì)非常小。與之對(duì)應(yīng)，粒子物理和凝聚態(tài)物理將迎來(lái)屬于自己的年代。 

　　綜合中外各路預(yù)測(cè)，2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)?lì)I(lǐng)域應(yīng)該集中在粒子物理或凝聚態(tài)物理兩個(gè)領(lǐng)域，且其中很可能有日本科學(xué)家獲獎(jiǎng)。尤其在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，日本科學(xué)家中有希望獲獎(jiǎng)的成果恐怕是一只手都數(shù)不過(guò)來(lái)。 

　　我們今天就來(lái)大膽做一波預(yù)測(cè)，看看下面的這些科學(xué)家及他們的成果，能否在今年斬獲桂冠。 

　　十倉(cāng)好紀(jì)是日本著名的物理學(xué)家，東京大學(xué)工學(xué)系物理工學(xué)專業(yè)教授，同時(shí)兼任理化學(xué)研究所創(chuàng)造性物質(zhì)研發(fā)中心的主任。十倉(cāng)教授在多個(gè)領(lǐng)域做出了突出成就，其中代表性較高的是電子型高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)、氧化物巨磁阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和機(jī)理解明、以及關(guān)于多鐵性材料的基礎(chǔ)理論等，其中任何一項(xiàng)成就都有獲頒諾獎(jiǎng)的可能。另外值得一提的是，他的兄長(zhǎng)十倉(cāng)雅和目前擔(dān)任著名企業(yè)住友化學(xué)的董事長(zhǎng)。鑒于篇幅所限，我們今天主要說(shuō)說(shuō)如何來(lái)理解電子型高溫超導(dǎo)體。 

十倉(cāng)好紀(jì)教授，來(lái)源：https://blog.miraikan.jst.go.jp/topics/201409122014-3.html 

　　處于超導(dǎo)狀態(tài)下的物質(zhì)，電阻變?yōu)?span lang="EN-US">0，傳輸電流時(shí)幾乎不發(fā)生電能損耗。然而，在銅氧化物高溫超導(dǎo)體出現(xiàn)之前，絕大多數(shù)超導(dǎo)材料的超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度都在零下250攝氏度附近。銅氧化物超導(dǎo)體將這一溫度提高到了零下138度左右，雖然距離常溫超導(dǎo)的終極夢(mèng)想仍然路途遙遠(yuǎn)，更高的超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度仍然可以盡可能降低冷卻介質(zhì)的成本，具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。 

　　在十倉(cāng)教授的成果問(wèn)世之前，人們已經(jīng)獲得的超導(dǎo)材料中負(fù)責(zé)傳輸電流的載流子不是電子，而是“空穴”。因此，人們普遍認(rèn)為，電子型高溫超導(dǎo)體并不存在。1989年，十倉(cāng)教授在《自然》雜志上發(fā)表論文，宣布在銅氧化物高溫超導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)了電子型超導(dǎo)體。論文一經(jīng)發(fā)布，立即在全世界引發(fā)轟動(dòng)，電子型高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著人類對(duì)超導(dǎo)物理本質(zhì)的認(rèn)識(shí)突破了固有枷鎖，開(kāi)辟了一個(gè)全新的研究領(lǐng)域。十倉(cāng)教授多年來(lái)始終站在當(dāng)代凝聚態(tài)物理學(xué)研究的最前沿，各國(guó)科技媒體和專業(yè)人士普遍看好他角逐諾獎(jiǎng)的前景。 

　　第二項(xiàng)預(yù)測(cè)同樣是關(guān)于超導(dǎo)，而且同樣顛覆了人們對(duì)超導(dǎo)材料的固有認(rèn)知，它的發(fā)現(xiàn)者是來(lái)自東京工業(yè)大學(xué)前沿材料研究所的細(xì)野秀雄教授。細(xì)野教授同樣是一位學(xué)術(shù)成果極為豐碩的學(xué)者，他的研究領(lǐng)域包括無(wú)機(jī)材料、納米多孔機(jī)能材料、超導(dǎo)材料、光電子材料以及透明氧化物半導(dǎo)體等。他最大的成就是鐵基高溫超導(dǎo)的提出，同時(shí)他還是液晶面板的主流技術(shù)路線之一的IGZO（氧化銦鎵鋅，indium gallium zinc oxide）的奠基人之一。 

細(xì)野秀雄教授，來(lái)源：https://blog.miraikan.jst.go.jp/images/細(xì)野秀雄先生From東工大さんページ.jpg 

　　在超導(dǎo)技術(shù)研究早期，人們?cè)谝幌盗薪饘僖约敖饘傺趸锷蠈?shí)現(xiàn)了超導(dǎo)，然而，鐵始終是人們敬而遠(yuǎn)之的對(duì)象。這是因?yàn)殍F具有磁性，與早期人們觀點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的條件相違背。2008年，細(xì)野教授在鐵中加入砷和其它元素，制成了鐵基超導(dǎo)體。相關(guān)論文經(jīng)過(guò)發(fā)表后，2008年當(dāng)中被引用超過(guò)2000次，成為了當(dāng)年的最高被引論文。到2014年，關(guān)于鐵基超導(dǎo)體的研究論文已經(jīng)有超過(guò)2000篇，讓停滯多年的超導(dǎo)領(lǐng)域重新煥發(fā)了活力。 

　　其實(shí)，鐵基超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)過(guò)程充滿了偶然性，細(xì)野教授最初的目標(biāo)并非制備鐵基超導(dǎo)體，而是在開(kāi)發(fā)陶瓷半導(dǎo)體的過(guò)程中，試圖以鐵代替銅以節(jié)約成本。如下圖所示，陶瓷半導(dǎo)體是一種突破傳統(tǒng)陶瓷材料絕緣性的新型材料。科學(xué)家們通過(guò)有效調(diào)控陶瓷結(jié)構(gòu)，可以讓陶瓷具有一定的導(dǎo)電性質(zhì)，獲得陶瓷半導(dǎo)體。細(xì)野教授將已有陶瓷半導(dǎo)體中的Se-Cu層以其它類似元素進(jìn)行替代，并測(cè)試所得材料的性能。當(dāng)用As-Fe層進(jìn)行替代后，細(xì)野教授驚奇的發(fā)現(xiàn)這種材料具備了超導(dǎo)特性，從此，鐵基超導(dǎo)體登上了人類科技舞臺(tái)。 

鐵基超導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)示意圖，來(lái)源：https://blog.miraikan.jst.go.jp/topics/201409102014-2.html 

　　第三項(xiàng)預(yù)測(cè)來(lái)自納米材料領(lǐng)域。眾所周知，從上世紀(jì)后20年開(kāi)始的納米材料革命在眾多方面都改變了人類的生活。這場(chǎng)革命中，碳納米管絕對(duì)算得上是一個(gè)標(biāo)志性成就。碳納米管的發(fā)現(xiàn)者，名城大學(xué)終身教授、NEC特別主席研究員飯島澄男常年被認(rèn)為是諾貝爾獎(jiǎng)的有力競(jìng)爭(zhēng)者。其實(shí)，他的研究領(lǐng)域并非材料而是高分辨電子顯微學(xué)技術(shù)。飯島教授從碩士階段開(kāi)始進(jìn)入電子顯微學(xué)領(lǐng)域，它與電子顯微鏡的邂逅最初竟是一場(chǎng)美麗的意外。 

飯島澄男教授，來(lái)源：https://www.natureasia.com/ja-jp/nature/interview/contents/13 

　　1963年，飯島澄男從電氣通信大學(xué)畢業(yè)，報(bào)考東北大學(xué)理學(xué)研究科物理學(xué)專業(yè)，希望繼續(xù)攻讀碩士學(xué)位。由于是外校生，對(duì)各個(gè)實(shí)驗(yàn)室了解很少，直到面試時(shí)都沒(méi)有決定自己今后的研究方向。面試時(shí)，一位考官一句無(wú)心的建議，讓他選擇了電子顯微鏡作為自己終身的志向。上世紀(jì)70年代開(kāi)始，日本電子顯微鏡業(yè)界在全世界成功逆襲，攻入飛利浦和西門(mén)子把持的高端電鏡市場(chǎng)，飯島教授也利用這一有利契機(jī)，不斷精進(jìn)研究，成長(zhǎng)為世界級(jí)的電鏡專家。 

　　1985年，足球烯碳60被美國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，他們利用核磁共振等技術(shù)確認(rèn)了這種當(dāng)時(shí)仍然未知的碳單質(zhì)。然而，由于缺乏直接的觀測(cè)證據(jù)，一個(gè)分子中有著60個(gè)原子的奇妙球形構(gòu)造仍然不為科學(xué)界所認(rèn)同。直到1990年，飯島教授通過(guò)透射電鏡直觀地觀察到了足球烯的形態(tài)，才平息了所有爭(zhēng)議，也讓足球烯的三位發(fā)現(xiàn)者在日后榮獲了諾貝爾獎(jiǎng)。 

　　在協(xié)助確認(rèn)足球烯形態(tài)后，飯島教授并未停下探索的腳步。1991年，他希望觀察到碳元素在反應(yīng)過(guò)程中是如何相互卷曲，形成球狀結(jié)構(gòu)的。于是，他重復(fù)了足球烯制備的實(shí)驗(yàn)，并調(diào)整了某些參數(shù)，試圖尋找到有趣的結(jié)果。然而，令他意外的是，制備足球烯的嘗試沒(méi)成功，反而制備出了一系列納米級(jí)別的管狀構(gòu)造，這就是后來(lái)被稱為碳納米管的一種全新材料。 

幾種不同構(gòu)型的納米碳管，作者：Mstroeck 

　　https://zh.wikipedia.org/wiki/File:Types_of_Carbon_Nanotubes.png 

　　至今，碳納米管已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)了將近30年，它的各種關(guān)聯(lián)應(yīng)用仍然是當(dāng)今的研發(fā)熱點(diǎn)。在這30年中，碳元素的其它幾種同素異構(gòu)體，包括足球烯和石墨烯都獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。然而，碳納米管卻一直沒(méi)有得到諾獎(jiǎng)評(píng)委的青睞，這不得不說(shuō)是一個(gè)非常巨大的遺憾。飯島教授是一位對(duì)中國(guó)非常友好的老人，多次到訪中國(guó)，對(duì)我國(guó)電鏡學(xué)術(shù)研究的發(fā)展和中日學(xué)術(shù)交流也起到過(guò)不小的推動(dòng)作用。在各種訪談中，飯島教授也隱晦的表達(dá)過(guò)諾獎(jiǎng)評(píng)選的失望，希望今年他能夠如愿以償。 

　　第四項(xiàng)預(yù)測(cè)仍然關(guān)于凝聚態(tài)物理。大野英男為現(xiàn)任日本東北大學(xué)校長(zhǎng)，被譽(yù)為磁性半導(dǎo)體之父。磁性半導(dǎo)體是一種特殊的半導(dǎo)體，既有強(qiáng)磁性又有半導(dǎo)體特性。磁性半導(dǎo)體可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電子自旋狀態(tài)的控制，是新型電子元器件研究的熱門(mén)領(lǐng)域。 

　　“自旋”是相當(dāng)復(fù)雜深?yuàn)W的物理概念，但是我們不妨將其簡(jiǎn)單化的理解為是電子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。總的來(lái)說(shuō)，自旋分為兩種狀態(tài)，即下圖所示的自旋向上和自旋向下，分別描述從左向右和從右向左兩種旋轉(zhuǎn)方式。自旋是描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的重要參數(shù)，同時(shí)，它也與磁性的產(chǎn)生有關(guān)。如果材料中的大量電子同時(shí)呈現(xiàn)同一種自旋狀態(tài)，材料就會(huì)顯現(xiàn)出磁性。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體主要利用電子的電荷特性，而磁鐵則是利用電子的自旋特性。 

　　大野教授在銦-砷或鎵-砷這樣的半導(dǎo)體化合物中混入一定量具有磁性的錳，最終制成了同時(shí)兼具磁性和半導(dǎo)體特性的磁性半導(dǎo)體。這種材料的制備探索起初非常艱難，在克服了一系列難關(guān)后才最終實(shí)現(xiàn)。磁性半導(dǎo)體在操控電流的同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)對(duì)電子自旋的控制，給電子器件的制造帶來(lái)了全新可能，未來(lái)誕生基于磁性半導(dǎo)體的器件甚至是電腦絕非妄言。 

大野英男教授和電子自旋示意圖，來(lái)源：https://www.flickr.com/photos/169107515@N05/46673593961/in/dateposted-public/ 

　　每次日本科學(xué)家獲得諾貝爾獎(jiǎng)，都會(huì)多少對(duì)我們有些刺激。寫(xiě)作這篇文章的目的絕非盲目吹捧日本在物理領(lǐng)域特別是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的研究實(shí)力。相反，這些成就大部分都來(lái)自二三十年之前，而那時(shí)中國(guó)的科技發(fā)展水平與今天完全是云泥之別。還是那句話，經(jīng)濟(jì)發(fā)展積累到一定程度，誕生諾獎(jiǎng)就是水到渠成的事情。不怨天，不自怨，踏實(shí)走好每一步，才是取得成就的根本。 

　　參考文獻(xiàn)： 

　　1. https://blog.miraikan.jst.go.jp/topics/201409172014-1.html 

　　2. http://www.cmr.t.u-tokyo.ac.jp/research/index.shtml 

　　3. https://blog.miraikan.jst.go.jp/topics/201409122014-3.html 

　　4. https://www.natureasia.com/ja-jp/nature/interview/contents/13