2020年沃尔夫奖授予魔角双层石墨烯、基因编辑等领域

2020年沃尔夫奖授予魔角双层石墨烯、基因编辑等领域
2020年01月15日 09:34 新浪科技综合

  来源:返朴   ID:fanpu2019

  以色列当地时间1月13日, 2020年沃尔夫科学艺术奖获奖名单公布,其中物理学奖授予“魔角”双层石墨烯相关的研究,生物学奖授予基因编辑技术CRISPR领域的开创性工作,数学奖授予微分几何与拓扑方面的重要成果,此外还公布了农业奖与艺术奖。

  这是沃尔夫奖第42次颁发。本年度奖项发给了来自美国、英国、法国、俄国、西班牙和以色列等6个国家的9位候选人。

  物理奖

  “魔角”双层石墨烯

  2020年沃尔夫物理学奖授予三位物理学家:麻省理工学院的Pablo Jarillo-Herrero 教授、德州大学奥斯汀分校的Allan H。 Macdonald 教授和 Rafi Bistritzer博士,以表彰他们在扭转双层石墨烯方面开创性的理论和实验工作。

  2004年,曼彻斯特大学的两位物理学家Andre Geim和 Konstantin Novoselov首次从层状结构的石墨中用胶带剥离出了单个原子厚度的石墨烯(两人因为相关工作获得2010年诺贝尔物理学奖),自此之后,几个实验组迅速投身到了对于扭转双层石墨烯性质的研究当中。

  石墨烯是由一个个碳原子围成的六边形蜂巢结构,具有诸多优异的性质。中科院物理所副研究员罗会仟介绍说:“石墨烯这种六边形结构单原子层网具有强大的‘抗压’能力。更为独特的是,石墨烯中电子的迁移速率非常快,是硅材料的10倍,因而在材料制备和器件构造上有得天独厚的优势,被誉为是未来最有可能替代硅半导体的材料之一。可以说,石墨烯既是未来材料应用的明星,也是当今凝聚态物理研究的前沿热点。”

  2011年,理论物理学家 Allan Macdonald 带领的小组研究了扭转双层石墨烯的一个有趣行为。根据 Macdonald 与他当时的博士后研究生Bistrizer的计算结果,两层石墨烯间电子的隧穿速率取决于它们错开的角度。将两层单个原子厚度的石墨烯堆叠在一起,当它们之间的扭转角度达到1.1°时,电子相互作用的效应会被极度地放大,从而使双层石墨烯表现出有趣的行为。

  不过 MacDonald 和Bistrizer的发现在一开始并没有受到科学界的重视,甚至被遗忘了数年之久。与此同时,实验凝聚态物理学家Jarillo-Herrero也在麻省理工学院的实验室里进行着关于扭转双层石墨烯的研究,他的实验室主要研究材料的超导、磁学和拓扑性质。他相信 MacDonald 和Bistrizer的思想中蕴含着一些实质性的东西。

  Jarillo-Herrero 的研究团队因此投入了大量努力来制备并测量具有各种扭转角度的双层石墨烯。到了2017年,实验取得了成功,他们发现,在温度为1.7K(绝对零度以上1.7度),将两层石墨烯彼此扭转错开1.1°的“魔角”时,它们表现为绝缘体,而只要施加微弱的门电压注入载流子,这种材料就会转变为超导体,正如MacDonald 和Bistrizer之前所预言的那样。

  Jarillo-Herrero团队的研究成果于2018年发表在《自然》杂志上,这项成果在物理学领域产生了革命性的影响,并引发了大量的相关研究。对于这项实验突破,罗会仟解释道:“所谓魔角双层石墨烯,就是把两个单层石墨烯堆砌起来,并且相对扭转一个角度。这种‘神操作’不是一般人能够做到的,需要克服极大的技术挑战。正是因为这个魔角,两层石墨烯之间形成了新的结构调制——摩尔纹,它具有更大的晶格尺度。以此为单元,就可以用传统的门电压调控技术调节载流子浓度,这最终导致了虽然石墨烯的载流子浓度相对金属而言要低几个数量级,但它的导电性能却出现了翻天覆地的变化。”

  当双层石墨烯扭转一个微小的角度时,上下两层不再完美地垂直叠套,原本六角对称的结构因为叠套而形成尺度更大的“扩展元胞”,也就是所谓的摩尔纹。| 来源:nature

  与此同时,扭转双层石墨烯的发现也为使用双层石墨烯来构建超导体打开了大门。石墨烯和高温超导看似是两个不甚相关的领域,实际上却存在着千丝万缕的联系。石墨烯具有完美的二维结构,而高温超导材料结构则是准二维的,例如铜氧化物材料中最关键的结构单元就是Cu-O平面。

  扭转双层石墨烯中电子的行为与铜氧化物超导体类似。与需要在极低温度下才能表现出超导电性的常规超导体相比,铜氧化物超导体在相当高的温度下就可以表现出超导电性,因此人们期待可以利用铜氧化物实现在接近室温下无能量损耗的电流传输。如果这个目标得以实现,将会导致一场影响深远的能源革命。

  然而,有一个障碍一直阻碍着这场能源革命的到来。虽然常规超导体的超导电性可以通过电子结合成对的 BCS 理论来解释,但我们还没有一个理论可以解释高温超导机制。如果缺乏坚实的理论基础,要发展出新的性能更好的材料将困难重重。而扭转双层石墨烯是两个单原子层的堆叠,比掺杂的铜氧化物材料要干净许多,只需要通过外界门电压调控就可以实现超导态和绝缘态的转变。尽管扭角石墨烯的超导温度仅有1 K左右,但是它的各种性质实在太像高温超导体了,因此有助于我们更好地理解高温超导的微观机制,甚至发现能导致更高超导温度的全新机制。

  罗会仟表示:“能够实现高温超导甚至是室温超导电性是所有超导研究人的终极梦想。也正是如此,对于石墨烯乃至其他碳基材料中超导电性的探索从未停止。”

  致谢:感谢中科院物理所副研究员罗会仟对本文的修改意见和帮助。

  参考资料

  [1] Bistritzer, R。 & MacDonald, A。 H。 Moiré bands in twisted double-layer graphene。 Proc。 Natl Acad。 Sci。 USA 108, 12233–12237 (2011)

  [2] Yuan Cao et al。 Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices。 Nature 556, 43–50 (2018)

  [3] Yuan Cao et al。 Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices。 Nature 556, 80–84 (2018) 

  [4] Xiaobo Lu et al。 Superconductors, orbital magnets and correlated states in magic-angle bilayer graphene。 Nature 574, 653–657(2019)

  [5] Kha Tran, et al。  Evidence for moiré excitons in van der Waals heterostructures。  Nature 567, 71–75 (2019)

  [6] 罗会仟,“魔角”石墨烯织造“高温”超导。知社学术圈(2018)

  [7] 罗会仟,Science 述评:扭扭捏捏石墨烯、干干净净调超导,ScienceAAAS公众号(2019)

  [8] https://wolffund.org.il/2020/01/13/pablo-jarillo-herrero/

  数学奖

  微分几何与拓扑

  2020年沃尔夫数学奖联合授予了斯坦福大学的Yakov Eliashberg教授和伦敦帝国理工学院与美国西蒙斯几何与物理中心(SCGP)的Simon K.Donaldson爵士,以表彰他们在微分几何和拓扑中作出的巨大贡献。

  Donaldson早年博士毕业于牛津大学,先后师从Nigel Hitchen和Michael Atiyah。在博士二年级时便证明了震惊整个数学界的有关于四维拓扑的结论。除此之外,他还发展出了一套彻底改变这个领域的全新工具,融合了来自全局非线性分析、拓扑和代数几何中的新想法。他十分善于将物理运用于数学中,比如用杨-米尔斯方程解决了凯勒流形中的许多问题,从而改变了人们对于辛几何的理解。这一观念深刻地影响了数学与物理的发展,他使用物理方程模空间的技巧被人们用来构造Donaldson不变量。尤其是近年来他也用特殊的几何在弦论做出了重要工作。

  沃尔夫奖给Donaldson的颁奖词是:“Donaldson因为过去35年来在几何领域的领导作用而被授予沃尔夫奖。自从他在4-流形和规范场理论方面的根本性工作以来,他的研究已经成为了融合来自全局非线性分析、拓扑、代数几何和物理的新想法的独特结合。尤其值得注意的是他近来在辛几何与凯勒几何方面的工作。”

  Yakov Eliashberg博士毕业于列宁格勒大学,后于1988年移民赴美。在上世纪八十年代,他一边做软件工程养家一边发展出了一个十分天才的组合技巧。这引导他发现了第一个辛刚性(symplectic rigidity) 的体现。他在上世纪八十年代末引入的“tight vs overtwisted”的切触结构已经彻底改变了切触拓扑的面貌,并于1989-1992年的系列论文中引入了现在广为使用的数学语言。后来他又为辛域论(symplectic field theory)奠定了基础,并且在近些年来于辛拓扑与切触拓扑中发现了大量惊人的同伦原则。这使人们认识到刚性只是松弛现象(flexible phenomena) 海洋中的一滴水珠而已。

  沃尔夫奖给Eliashberg的颁奖词是:“Eliashberg因为其在辛拓扑与切触拓扑中的奠基性工作,在偏微分关系同伦原则和多维复分析中的贡献工作而被授予沃尔夫奖。”

  参考资料

  https://wolffund.org.il/2020/01/13/yakov-eliashberg/

  https://wolffund.org.il/2020/01/13/simon-donaldson/

  医学奖

  基因编辑技术

  医学奖由美国加州大学伯克利分校的詹妮弗·杜德娜(Jennifer Doudna)教授和马克普朗克感染生物学研究所的法籍科学家艾曼纽尔·夏彭提耶(Emanuelle Charpentier)教授共享,表彰她们在革命性基因编辑技术CRISPR领域的开创性工作。

  杜德娜是加州大学伯克利分校分子和细胞生物学教授、化学教授,霍华德休斯医学研究所(HHMI)研究员。沃尔夫奖官网给杜德娜的颁奖词是 “揭示了RNA介导的基因组编辑在细菌免疫中的变革性机制”,对于杜德娜在CRISPR技术应用的伦理学争议中的发声,基金会也给予了表彰。

  夏彭提耶是德国马克普朗克感染生物学研究所教授,法国籍生化学家、微生物学家、遗传学家,是细菌病原体感染和免疫领域的知名专家。沃尔夫奖官网给夏彭提耶的颁奖词是 “解密了细菌CRISPR/Cas9免疫系统并将其重新应用于基因组编辑”。

  素有“基因魔剪”之称的CRISPR技术是近年来科学领域的热门。CRISPR/Cas9系统最早发现于细菌中,是细菌为了对抗病毒入侵而使用的一套类似于免疫系统的防御机制。杜德娜和夏彭提耶通过合作研究,将CRISPR/Cas9从细菌防御机制拓展成为跨物种应用的基因编辑工具。这项技术的横空出世,让科学家可以高效、精准地干扰细胞的遗传活动——即改变、修复或移除特定的基因。这项技术在全世界范围内的分子生物学实验室得到极其广泛的使用,在临床治疗领域也进入了早期试验阶段,有望为某些不治之症提供新的治疗策略。

  在沃尔夫奖之前,杜德娜和夏彭提耶两人就因开发CRISPR技术多次获得国际大奖。据不完全统计,两人同时获得的奖项包括:2015年生命科学突破奖、西班牙阿斯图里亚斯女亲王奖(Premios Princesa de Asturias)中的科学技术奖项、2015年度阿尔珀特奖(Warren Alpert Foundation Prize)、加拿大盖尔德纳国际奖(Gairdner International Award)、台湾唐奖的生技医药奖、2017年度日本奖、2018年度卡弗里纳米科学奖(The Kavli Prize in Nanoscience)等。

  参考资料

  https://www.haaretz.com/israel-news/。premium-2020-wolf-prize-laureates-include-inventors-of-genetic-scissors-technology-1.8398614

  https://chemistry.berkeley.edu/news/jennifer-doudna-awarded-2020-wolf-prize-medicine

  https://phys.org/news/2020-01-gene-editing-tool-israel-wolf-prize.html

  农业奖

  植物开花时间控制和春化现象的表观遗传基础

  2020年沃尔夫农业奖授予了英国约翰·英纳斯中心的卡洛琳·迪恩(Caroline Dean)教授,以表彰其在植物开花时间控制和春化现象的表观遗传基础方面的开创性发现。

  卡洛琳·迪恩教授是英国著名植物学家,其研究聚焦于理解植物季节性开花的分子调控机制,尤其是春化现象(指很多开花植物需经过严冬低温才会开花的现象)。迪恩教授的工作帮助人们理解植物的开花记忆和温度感应机制,对农业领域和生物学领域都有深远影响,也因此获得多项学术荣誉或奖项,包括英国分子生物学会(EMBO)会员、美国科学院外籍院士、英国皇家学会达尔文奖章、联合国教科文组织女性科学家奖等。迪恩教授同时也是“科学巾帼”(Women in Science)运动的强力支持者。

  沃尔夫农业奖是与世界粮食奖齐名的农业领域重磅奖项,此前曾有两位华人获此殊荣:植物激素专家、台湾科学家杨祥发教授(1991年), “杂交水稻”研究专家袁隆平院士(2004年)。

  参考资料

  https://wolffund.org.il/2020/01/13/caroline-dean/

  https://en.wikipedia.org/wiki/Caroline_Dean

  艺术奖

  用相机重新定义艺术

  2020年沃尔夫艺术奖颁给了美国的艺术家辛迪·舍曼(Cindy·Sherman),授奖理由是“用相机重新定义艺术”。

  辛迪·舍曼是美国先驱女摄影师、电影导演和艺术家,是当今艺术和文化领域最具影响力的艺术家之一。她以“化装自拍”摄影风格著称,其融入概念艺术且具有表演性的肖像自拍作品,在拍摄手法上颠覆了传统摄影强调的纪实性,开拓了摄影的更多可能性。

  参考资料

  https://wolffund.org.il/2020/01/13/cindy-sherman/

  http://www.fosunfoundation.com/exhibitions/detail/14

  奖项简介

  沃尔夫奖一直有“诺奖风向标”之称,约三分之一的沃尔夫奖得主最后都获得了诺贝尔奖。每年沃尔夫基金会都会在艺术、农业、物理、医学和数学等5个领域,各拿出10万美金,奖励“为人类利益和人类友好关系做出杰出贡献”的艺术家和科学家。

  本年度颁奖典礼将于2020年6月11日在以色列耶路撒冷举行。

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