2018年度十大突破的榜單由《物理世界》（Physics World）雜志評選產(chǎn)生，他們遴選的標(biāo)準(zhǔn)有以下三條：
在知識或認(rèn)識方面的重大進(jìn)展；
對科學(xué)進(jìn)步or實(shí)際應(yīng)用開發(fā)的重要性；
并綜合考慮《物理世界》大部分讀者的興趣。
重大突破榜單為：
麻省理工學(xué)院（MIT）的Pablo Jarillo-Herrero及其同事催生了扭轉(zhuǎn)技術(shù)（Twistronics），這是一種非常有前景的全新技術(shù)，通過旋轉(zhuǎn)相鄰兩層石墨烯來調(diào)控石墨烯的電性質(zhì)。
該團(tuán)隊(duì)最初運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)來制備具有高溫超導(dǎo)體特性的“魔角石墨烯”。
2018年度十大突破榜單中的其他9項(xiàng)成果也受到了高度評價。
2018年度重大突破榜首
新的扭轉(zhuǎn)：魔角雙層石墨烯
石墨烯是由厚度只有一個原子的碳原子層組成蜂巢晶格的二維碳納米材料。雙層石墨烯是通常以特定方式堆疊在一起的兩層石墨烯。
當(dāng)Pablo Jarillo-Herrero及其同事將雙層石墨烯的排列方向以一個魔角扭轉(zhuǎn)時，發(fā)現(xiàn)了原始雙層石墨烯中的Mott絕緣體態(tài)。
該研究團(tuán)隊(duì)匯集了麻省理工學(xué)院、哈佛大學(xué)和日本國立材料科學(xué)研究所（NIMS）的研究人員，他們繼而還發(fā)現(xiàn)，在Mott絕緣態(tài)情況下加入少量電荷載流子，就可以成功轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)。
魔角石墨烯的成功制備已經(jīng)激發(fā)了石墨烯研究領(lǐng)域的好幾個重要后續(xù)成果。
哥倫比亞大學(xué)的科學(xué)家們設(shè)計了精細(xì)調(diào)控二維材料相鄰層角度的方法，從而操控材料的電性質(zhì)。這凸顯了扭轉(zhuǎn)技術(shù)成為器件工程學(xué)中另類范例的潛力。
進(jìn)一步的理論研究提供了雙層和多層石墨烯系統(tǒng)的電性質(zhì)轉(zhuǎn)變的洞見。
理論學(xué)家們強(qiáng)調(diào)了非傳統(tǒng)超導(dǎo)電性，包括拓?fù)涑瑢?dǎo)電性以及材料邊緣存在的拓?fù)漶R約拉納態(tài)。
這些態(tài)對于產(chǎn)生量子計算機(jī)的量子比特特別有用，因?yàn)樗鼈儽群芏嗥渌x擇更難抵御環(huán)境微擾。
更近的研究發(fā)現(xiàn)，通過扭轉(zhuǎn)二維材料的相鄰層，還能有助于避免反轉(zhuǎn)散射（Umklapp scattering），反轉(zhuǎn)散射會降低高溫下的載流子遷移率。
以下是其他九項(xiàng)受到高度評價的突破，排名不分先后：
多功能碳纖維實(shí)現(xiàn)無質(zhì)量能量存儲
瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的Leif Asp及其瑞典、意大利、法國的合作者展示了利用多功能碳纖維實(shí)現(xiàn)有效的無質(zhì)量能量存儲的可能性。
盡管能量存儲技術(shù)在不斷進(jìn)步，電池仍然在筆記本電腦乃至電動汽車等設(shè)備中占據(jù)了很大一部分的重量。
Leif Asp及其合作者沒有僅僅聚焦于通過優(yōu)化電池材料來滿足輕便的要求，而是表明利用作為結(jié)構(gòu)支持的碳纖維的電化學(xué)特性，能夠使設(shè)備的質(zhì)量減輕多達(dá)50%。
▲準(zhǔn)備滾起來：Leif Asp與碳纖維滾筒
補(bǔ)償環(huán)使更多的人能夠享受到先進(jìn)的放射治療
華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)中心Eric Ford等研究熱源發(fā)明了一種實(shí)現(xiàn)調(diào)強(qiáng)放療（IMRT）的低成本方法。
IMRT是一種精密的治療技術(shù)，它使用復(fù)雜的多葉準(zhǔn)直器（MLCs）來形成光子束，從而使更多健康組織不受影響。然而，盡管IMRT幾乎在高收入國家的所有放療診所都可以使用，但在低收入和中等收入國家的廣大地區(qū)卻基本沒有。
為了彌補(bǔ)這一缺陷，福特和一個多元化團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種成本效益高的MLC替代品，用一種由填充有衰減微珠（如鎢微珠）的輕型塑料模具制成的補(bǔ)償環(huán)來替代它。
該裝置可用于現(xiàn)有的直線性加速器（linac）和cobalt遠(yuǎn)程治療機(jī)，使診所無需購買新的治療設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)IMRT。
IPCC關(guān)于1.5攝氏度氣候變化的特別報告
政府間氣候變化專門委員會（IPCC）于10月份發(fā)布的關(guān)于1.5攝氏度氣候變化的特別報告。這份報告由來自40個國家的91位作者和評論編輯撰寫，是基于2015年巴黎氣候談判的結(jié)果。
報告強(qiáng)調(diào)，如果世界各國齊心協(xié)力，將全球變暖控制在1.5攝氏度以內(nèi)，那么氣候變化的影響是可以避免的。
IPCC第二工作組的聯(lián)合負(fù)責(zé)人Hans-Otto Portner表示：“氣候變暖溫度每升高一點(diǎn)都會帶來非常重要的影響，尤其是升高1.5攝氏度以上會增加長期的或不可逆轉(zhuǎn)的變化，比如某些生態(tài)系統(tǒng)的消失?！?/p>
▲在一個溫度比工業(yè)化前水平高2℃的世界里，冰川和海冰的處境堪憂
EXPLORER PET/CT首次實(shí)現(xiàn)全身掃描
EXPLORER利用他們的全身PET掃描儀制作了第一張人體圖像。EXPLORER PET/CT是世界上第一個能夠同時捕捉整個人體三維圖像的醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)，由加州大學(xué)戴維斯分校的科學(xué)家和一個多元化團(tuán)隊(duì)共同開發(fā)。
掃描速度可達(dá)目前PET系統(tǒng)的40倍，但使用輻射劑量減少到了1/40，這使得在個人身上的重復(fù)使用成為可能，同時大大減少兒科研究的輻射劑量。
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)移動過程。
▲這臺機(jī)器結(jié)合了兩種常見的成像類型：正電子發(fā)射斷層掃描（PET）和X射線計算機(jī)斷層掃描（CT），可以同時對整個身體進(jìn)行成像
無燃料、無螺旋槳飛機(jī)起飛
麻省理工學(xué)院的研究人員Steve Barrett展示了第一架不使用內(nèi)燃機(jī)、無螺旋槳飛機(jī)的飛行。
這架飛機(jī)的翼展為5米，由固態(tài)無活動機(jī)械的“離子引擎”為推力。
在宣布這次飛行時，Steve Barrett表示，他的靈感來自兒時對《星際迷航》（Star Trek）的熱愛:“未來的飛機(jī)飛起來后應(yīng)該是無聲的，看不到任何'動'的部件——也許就看到一束藍(lán)光，但肯定沒有類似螺旋槳或渦輪機(jī)之類的東西。所以我開始尋找什么物理原理可以讓沒有運(yùn)動部件的飛行成為可能?！?/p>
▲巡航高度:離子飛機(jī)飛行時的延時圖像
在量子層面，證實(shí)因果關(guān)系的“不確定性”
昆士蘭大學(xué)Jacqui Romero、Fabio Costa等和格勒諾布爾-阿爾卑斯大學(xué)Cyril Branciar的研究人員通過實(shí)驗(yàn)證明，量子力學(xué)可以讓事件在沒有明確因果順序的情況下發(fā)生。
這與經(jīng)典物理學(xué)不同，也與我們?nèi)粘Ｉ畈煌?。在?jīng)典物理學(xué)中，連續(xù)事件之間有著嚴(yán)格的因果關(guān)系（我們通常認(rèn)為，事件的發(fā)生是按照一定的時間順序進(jìn)行，比如A事件造成了B事件，反之亦然）。
為了觀察不確定的因果關(guān)系，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一個“量子開關(guān)”，其中一個光子可以走兩條路徑。
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。
如果這些操作在時間上緊密結(jié)合在一起執(zhí)行，那么就不可能判斷哪個操作首先完成。
不確定的因果順序——連同團(tuán)隊(duì)的量子開關(guān)——可能對處理量子信息有用。
激活視網(wǎng)膜干細(xì)胞可以恢復(fù)小鼠的視力
西奈山伊坎醫(yī)學(xué)院Bo Chen和一個國際研究團(tuán)隊(duì)，通過激活視網(wǎng)膜干細(xì)胞成功恢復(fù)了小鼠視力。
在冷血脊椎動物中，米勒膠質(zhì)細(xì)胞（Müller glia cells，MGs）發(fā)揮視網(wǎng)膜干細(xì)胞的作用，可以補(bǔ)充受損的視網(wǎng)膜神經(jīng)元，恢復(fù)視力。然而在哺乳動物中，MGs并沒有再生能力。
在這項(xiàng)研究中，Bo Chen和他的同事們試圖通過兩步基因轉(zhuǎn)移過程來重新激活失明小鼠的MGs。重新編程后的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)一步的測試來確定視力改善的程度，但總有一天，這種方法可用于治療視網(wǎng)膜退行性疾病，而當(dāng)下，人類對這些疾病還沒有治愈方法。
暗物質(zhì)冷卻遠(yuǎn)古氫之推測
亞利桑那州立大學(xué)Judd Bowman、Raul Monsalve等和麻省理工學(xué)院Alan Rogers的研究人員通過 “全天再電離時期信號探測實(shí)驗(yàn)” （EDGES）射電望遠(yuǎn)鏡觀察到宇宙大爆炸后僅1.8億年就存在的比預(yù)期更冷的氫氣。
特拉維夫大學(xué)Rennan Barkana計算出，這可能是首次直接觀測到暗物質(zhì)與常規(guī)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)到底是什么?
發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶體的超導(dǎo)性
名古屋大學(xué)Keiichiro Imura、Kazuhiko Deguchi等、豐田工業(yè)大學(xué)Tsunehiro Takeuchi、豐田理化學(xué)研究所Tsutomu Ishimasa等研究人員首次發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)準(zhǔn)晶體——金屬合金準(zhǔn)晶體在溫度低于0.05 K時是一種超導(dǎo)體。
當(dāng)電子對通過與聲子的相互作用形成時，傳統(tǒng)的超導(dǎo)性就產(chǎn)生了，這有點(diǎn)類似通過晶體晶格傳播的粒子變形。
準(zhǔn)晶體不具有平移對稱，因此沒有晶體晶格，因而不是傳統(tǒng)的超導(dǎo)體。
自從1984年第一個準(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。現(xiàn)在，終于有人發(fā)現(xiàn)，而這一發(fā)現(xiàn)可能會促使顯示分形超導(dǎo)性新材料的產(chǎn)生。
作者：哈米什·約翰斯頓編輯：顧軍責(zé)任編輯：許琦敏
來源：物理世界、世界科學(xué)
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