2019年諾貝爾獎物理學獎預測:這幾位日本科學家希望不小

細野教授的研究領域包括無機材料、納米多孔機能材料、超導材料、光電子材料以及透明氧化物半導體等。他最大的成就是鐵基高溫超導的提出，同時他還是液晶面板的主流技術路線之一的IGZO（氧化銦鎵鋅）的奠基人之一。

出品：科普中國

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監製：中國科學院計算機網絡信息中心

眾所周知，諾貝爾物理學獎的規律性相較其它自然科學獎項較為明顯，一言以蔽之——四大領域輪番登臺。這四大領域分別是，粒子物理、天體物理、凝聚態物理、原子分子及光物理。

2015年開始，諾貝爾物理學獎先後表彰了如下成果，分別為：2015年的中微子振蕩（天體物理或粒子物理）、2016年的拓撲相變（凝聚態物理）、2017年的引力波（天體物理）以及2018年的光鑷和啁啾放大（雷射物理）。

2019年，將會是一個新周期的起始，自然，2017年和2018年的兩大領域再次獲獎的可能性會非常小。與之對應，粒子物理和凝聚態物理將迎來屬於自己的年代。

綜合中外各路預測，2019年諾貝爾物理學獎的獲獎領域應該集中在粒子物理或凝聚態物理兩個領域，且其中很可能有日本科學家獲獎。尤其在凝聚態物理領域，日本科學家中有希望獲獎的成果恐怕是一隻手都數不過來。

我們今天就來大膽做一波預測，看看下面的這些科學家及他們的成果，能否在今年斬獲桂冠。

十倉好紀——電子型高溫超導體和多鐵性材料

十倉好紀是日本著名的物理學家，東京大學工學系物理工學專業教授，同時兼任理化學研究所創造性物質研發中心的主任。十倉教授在多個領域做出了突出成就，其中代表性較高的是電子型高溫超導體的發現、氧化物巨磁阻效應的發現和機理解明、以及關於多鐵性材料的基礎理論等，其中任何一項成就都有獲頒諾獎的可能。另外值得一提的是，他的兄長十倉雅和目前擔任著名企業住友化學的董事長。鑑於篇幅所限，我們今天主要說說如何來理解電子型高溫超導體。

十倉好紀教授，來源：https://blog.miraikan.jst.go.jp/topics/201409122014-3.html

處於超導狀態下的物質，電阻變為0，傳輸電流時幾乎不發生電能損耗。然而，在銅氧化物高溫超導體出現之前，絕大多數超導材料的超導臨界轉變溫度都在零下250攝氏度附近。銅氧化物超導體將這一溫度提高到了零下138度左右，雖然距離常溫超導的終極夢想仍然路途遙遠，更高的超導臨界轉變溫度仍然可以儘可能降低冷卻介質的成本，具有重要的研究和應用價值。

在十倉教授的成果問世之前，人們已經獲得的超導材料中負責傳輸電流的載流子不是電子，而是「空穴」。因此，人們普遍認為，電子型高溫超導體並不存在。1989年，十倉教授在《自然》雜誌上發表論文，宣布在銅氧化物高溫超導體中發現了電子型超導體。論文一經發布，立即在全世界引發轟動，電子型高溫超導體的發現，標誌著人類對超導物理本質的認識突破了固有枷鎖，開闢了一個全新的研究領域。十倉教授多年來始終站在當代凝聚態物理學研究的最前沿，各國科技媒體和專業人士普遍看好他角逐諾獎的前景。

細野秀雄——鐵基高溫超導

第二項預測同樣是關於超導，而且同樣顛覆了人們對超導材料的固有認知，它的發現者是來自東京工業大學前沿材料研究所的細野秀雄教授。細野教授同樣是一位學術成果極為豐碩的學者，他的研究領域包括無機材料、納米多孔機能材料、超導材料、光電子材料以及透明氧化物半導體等。他最大的成就是鐵基高溫超導的提出，同時他還是液晶面板的主流技術路線之一的IGZO（氧化銦鎵鋅，indium gallium zinc oxide）的奠基人之一。

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

在超導技術研究早期，人們在一系列金屬以及金屬氧化物上實現了超導，然而，鐵始終是人們敬而遠之的對象。這是因為鐵具有磁性，與早期人們觀點中實現超導的條件相違背。2008年，細野教授在鐵中加入砷和其它元素，製成了鐵基超導體。相關論文經過發表後，2008年當中被引用超過2000次，成為了當年的最高被引論文。到2014年，關於鐵基超導體的研究論文已經有超過2000篇，讓停滯多年的超導領域重新煥發了活力。

其實，鐵基超導體的發現過程充滿了偶然性，細野教授最初的目標並非製備鐵基超導體，而是在開發陶瓷半導體的過程中，試圖以鐵代替銅以節約成本。如下圖所示，陶瓷半導體是一種突破傳統陶瓷材料絕緣性的新型材料。科學家們通過有效調控陶瓷結構，可以讓陶瓷具有一定的導電性質，獲得陶瓷半導體。細野教授將已有陶瓷半導體中的Se-Cu層以其它類似元素進行替代，並測試所得材料的性能。當用As-Fe層進行替代後，細野教授驚奇的發現這種材料具備了超導特性，從此，鐵基超導體登上了人類科技舞臺。

鐵基超導體晶體結構示意圖，來源：https://blog.miraikan.jst.go.jp/topics/201409102014-2.html

飯島澄男——諾獎遺珠碳納米管

第三項預測來自納米材料領域。眾所周知，從上世紀後20年開始的納米材料革命在眾多方面都改變了人類的生活。這場革命中，碳納米管絕對算得上是一個標誌性成就。碳納米管的發現者，名城大學終身教授、NEC特別主席研究員飯島澄男常年被認為是諾貝爾獎的有力競爭者。其實，他的研究領域並非材料而是高分辨電子顯微學技術。飯島教授從碩士階段開始進入電子顯微學領域，它與電子顯微鏡的邂逅最初竟是一場美麗的意外。

飯島澄男教授，來源：https://www.natureasia.com/ja-jp/nature/interview/contents/13

1963年，飯島澄男從電氣通信大學畢業，報考東北大學理學研究科物理學專業，希望繼續攻讀碩士學位。由於是外校生，對各個實驗室了解很少，直到面試時都沒有決定自己今後的研究方向。面試時，一位考官一句無心的建議，讓他選擇了電子顯微鏡作為自己終身的志向。上世紀70年代開始，日本電子顯微鏡業界在全世界成功逆襲，攻入飛利浦和西門子把持的高端電鏡市場，飯島教授也利用這一有利契機，不斷精進研究，成長為世界級的電鏡專家。

1985年，足球烯碳60被美國科學家發現，他們利用核磁共振等技術確認了這種當時仍然未知的碳單質。然而，由於缺乏直接的觀測證據，一個分子中有著60個原子的奇妙球形構造仍然不為科學界所認同。直到1990年，飯島教授通過透射電鏡直觀地觀察到了足球烯的形態，才平息了所有爭議，也讓足球烯的三位發現者在日後榮獲了諾貝爾獎。

在協助確認足球烯形態後，飯島教授並未停下探索的腳步。1991年，他希望觀察到碳元素在反應過程中是如何相互捲曲，形成球狀結構的。於是，他重複了足球烯製備的實驗，並調整了某些參數，試圖尋找到有趣的結果。然而，令他意外的是，製備足球烯的嘗試沒成功，反而製備出了一系列納米級別的管狀構造，這就是後來被稱為碳納米管的一種全新材料。

幾種不同構型的納米碳管，作者：Mstroeck（https://zh.wikipedia.org/wiki/File:Types_of_Carbon_Nanotubes.png）

至今，碳納米管已經被發現了將近30年，它的各種關聯應用仍然是當今的研發熱點。在這30年中，碳元素的其它幾種同素異構體，包括足球烯和石墨烯都獲得了諾貝爾獎。然而，碳納米管卻一直沒有得到諾獎評委的青睞，這不得不說是一個非常巨大的遺憾。飯島教授是一位對中國非常友好的老人，多次到訪中國，對我國電鏡學術研究的發展和中日學術交流也起到過不小的推動作用。在各種訪談中，飯島教授也隱晦的表達過諾獎評選的失望，希望今年他能夠如願以償。

大野英男——磁性半導體之父

第四項預測仍然關於凝聚態物理。大野英男為現任日本東北大學校長，被譽為磁性半導體之父。磁性半導體是一種特殊的半導體，既有強磁性又有半導體特性。磁性半導體可以實現對電子自旋狀態的控制，是新型電子元器件研究的熱門領域。

「自旋」是相當複雜深奧的物理概念，但是我們不妨將其簡單化的理解為是電子的轉動方向。總的來說，自旋分為兩種狀態，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方式。自旋是描述電子運動狀態的重要參數，同時，它也與磁性的產生有關。如果材料中的大量電子同時呈現同一種自旋狀態，材料就會顯現出磁性。簡單來說，半導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-砷這樣的半導體化合物中混入一定量具有磁性的錳，最終製成了同時兼具磁性和半導體特性的磁性半導體。這種材料的製備探索起初非常艱難，在克服了一系列難關後才最終實現。磁性半導體在操控電流的同時還能實現對電子自旋的控制，給電子器件的製造帶來了全新可能，未來誕生基於磁性半導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，來源：https://www.flickr.com/photos/169107515@N05/46673593961/in/dateposted-public/

每次日本科學家獲得諾貝爾獎，都會多少對我們有些刺激。寫作這篇文章的目的絕非盲目吹捧日本在物理領域特別是凝聚態物理領域的研究實力。相反，這些成就大部分都來自二三十年之前，而那時中國的科技發展水平與今天完全是雲泥之別。還是那句話，經濟發展積累到一定程度，誕生諾獎就是水到渠成的事情。不怨天，不自怨，踏實走好每一步，才是取得成就的根本。

參考文獻：

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