中國22歲學霸：一招解決物理界百年難題

裘雪瓊

全球十大科學人物榜單上，賀建奎因“反派”身份入圍，22歲的曹原則因發現石墨烯超導角度名列第一。

12月19日，世界頂尖學術期刊、英國《自然》雜志公布了2018年度影響世界的十大科學人物。

值得注意的是，《自然》只選取當年對科學界產生最大影響力的十位人物，并不一定是正面形象。2018年榜單中的“反派”就是半路出家的基因編輯學者、南方科技大學副教授賀建奎。

“他在世界舞臺上登場得匆匆，消失得也匆匆。”《自然》在一篇名為《CRISPR流氓》》的特寫文章中寫道。

影響力第一的曹原才22歲。這位中科大少年班畢業生、美國麻省理工學院在讀博士，9個月前在《自然》雜志的網站以第一作者的身份發表了2篇關于石墨烯的重磅論文。

他發現，當兩層平行石墨烯堆成約1.1°的微妙角度，就會產生神奇的超導效應。這一轟動國際學界的新發現，直接開辟了凝聚態物理的一塊新領域。如今，許多學者正在試圖復制、拓展他的研究。

三年讀完小初高，高考拿669分

每年《自然》的十大人物的封面圖片都是一個巨型數字“10”，但具體樣式和底紋都會結合當年的科技熱點來設計。

2018年的封面圖片指向曹原的成果。數字“10”中的“0”被處理成一個正六邊形，就像構成石墨烯的碳環結構。再細看，“10”由2層蜂窩狀的小正六邊形填涂而成，分別為紅色和藍色，兩層之間有微小夾角，使得圖像出現重影。這點出了賦予石墨烯超導能力的“魔角”。

曹原

2018年10月16日，倫敦，華為正式發布了新一代Mate 20系列新品，Mate 20X手機選擇了超大容量的5000mAh電池，采用了石墨烯+液冷散熱系統組合

曹原是那種天才少年。他1996年出生于成都，14歲時從深圳耀華實驗學校考入中國科學技術大學少年班學院，并入選“嚴濟慈物理英才班”。

天才往往接受“超常教育”，曹原也不例外。有媒體報道，他于2007年就讀深圳耀華實驗學校時，用三年時間讀完小學六年級、初中和高中的課程，高考總分為理科669分。對此，他輕描淡寫，“我只是跳過了中學里面一些無聊的東西。”

2010年考入強手如林的中國科技大學少年班學院后，曹原依然如魚得水。教授《計算物理》的丁澤軍教授向新創校友基金會介紹他是一個“很聰明的家伙”，“本科時計算物理課程中的課題研究成果發了一篇文章。也沒花多少時間，也就是一個寒假就做完了”。

“這是在我實驗室混過的娃，”中科大物理學院教授曾長淦對曹原同樣印象深刻，“我們的研究以實驗為主，但曹原發的卻是理論文章。雖然在實驗選題、方向與寫作上我可給他指導，但在技術細節上無法手把手教他。”

但曹原很令人放心：接受的題目一定能做出來;做研究十分主動，如果計算遇到困難，他永遠會嘗試其他的軟件方法。

而且曹原興趣廣泛。他喜歡搗鼓計算機，也經常在朋友圈曬天文觀測的照片。他并不恃才傲物，反而低調沉穩，情商很高。

2012年，他作為中科大派出的首批交流生，前往美國密歇根大學游學;次年6月，他獲得中科大“頂尖海外交流獎學金”，同時被牛津大學選中，受邀開展為期兩個月的科研實踐。

2014年，曹原本科畢業，榮獲中國科技大學本科生最高榮譽郭沫若獎學金，并前往美國麻省理工大學攻讀博士學位。入選《自然》十大科學人物后，一位與曹原熟悉的少年班畢業生如此感嘆：“他實在是太強了，在科大是傳說級的人物。”

魔法角度，石墨烯零阻力傳輸電子

曹原與麻省理工學院的物理學研究生項目失之交臂，但他通過電氣工程與計算機科學系進入了Jarillo-Herrero的課題組，實現繼續做物理研究的心愿。

博士開局階段，他遭逢過失望。當時，他花了六個月時間研究一份似乎令人激動的數據，但最終發現那僅僅是實驗設置中的巧合。“他不開心，但他只是卷起袖子繼續干了。”Jarillo-Herrero記得。

那會兒，課題組已經開始用不同的角度堆疊、旋轉碳原子層了。曹原的研究內容為，當壘在一起的兩層石墨烯彼此間輕微偏轉時會發生什么。按照理論預測，輕微的偏轉就會讓材料行為產生劇變，但有許多物理學家對此心存懷疑。

曹原著手搭成微妙偏轉的石墨烯層后，有了兩個神奇的發現：當被置于一個小型電場，且溫度降到絕對零度（-273度）以上1.7度時，能導電的石墨烯成了絕緣體;但稍微調整一下電場，偏轉的石墨烯層就變成了超導體，電流可無阻流動。當第二個樣本中觀察到同樣的現象后，實驗組相信這是真的。

2017年8月8日，曹原團隊在理論上論證：只要將兩層石墨烯旋轉到特定的“魔法角度”（即1.1度）疊加時，它們就可以在零阻力的情況下傳導電子，即刻顯現超導特性。

理論轉為實操并非易事。7個多月的反復實驗過程中，他夜以繼日地守在實驗室，克服樣品無法承受高熱、機械部件有滯留回差等困難，終于在2018年3月成功完成石墨烯的“超導電實驗”。

重磅消息引爆了全球，世界頂級學術期刊《自然》在一天之內連續刊登了兩篇他的關于石墨烯超導的論文。一個有意思的細節是，拿到這篇研究論文時，《自然》甚至都等不及排版，先行在其網站上刊出文章，并配以第三篇文章作為評述。

導師Jarillo-Herrero認為，曹原開創了一種撕出單層石墨烯的方法，制出具有相同角度的雙層堆疊，并能再度微調校準;另外，他調整了低溫系統的溫度，使超導性得以更清晰地顯現。

而研究的成功，離不開曹原豐富的動手能力與實驗技巧。中學時代，他經常跑深圳電子市場，買回一大堆電子元件，拆了裝，裝了拆，直到研究清楚電子線路。

他位于麻省理工的辦公室堆滿了計算機和自制望遠鏡的零件。他喜歡天文攝影，因為“仰望星空總是能讓我安靜下來”。空閑時，他會在辦公室用自制的照相機和望遠鏡拍攝夜空。

22歲的曹原，還不能知道自己的科研生涯講會走向何方。但他明確的一點是，“關于魔角石墨烯，我們還要做很多工作”。

當兩層平行石墨烯堆成約1.1°的角度，就會產生超導效應。這一發現開辟了凝聚態物理的新領域

尋找超導體材料的107年

眾所周知，從發電站到用戶端的傳送過程中，電能的傳輸損耗是巨大的。例如，能源公司損失大約7%能源的熱，這與電力網中阻抗所造成的熱一樣。

1911年，荷蘭物理學家海克·卡末林·昂內斯發現，當汞被冷卻至接近絕對零度（-273℃）時，電子可以通行無“阻”，從而將能源損耗降到最低。這個“零電阻狀態”被稱為“超導電性”，這是人類第一次發現超導體的存在，而昂內斯因此獲得了諾貝爾獎。

可是超導體要在接近絕對零度（即-273℃）的環境下，才能顯示出近乎0損耗輸電的能力而這種冷卻材料成本高企、無法投入大規模應用。

此后，全世界的科學家都嘗試各種試驗，想要找到一種“低成本超導材料”。直到1980年時，有人發現了銅氧化物，這種材料達到超導狀態的最高溫度為133K（即-140℃），但是銅氧化物結構難以調整，依然無法實現超導機制。

1998年諾貝爾獎物理學獎獲得者羅伯特·勞夫林說，物理學家們已經在黑暗（即超導研究）中徘徊了30年，想要解開銅氧化物超導的秘密。

十多年前，科學界首次發現石墨烯及其特殊的電子性質。這種由六角鍵合的碳原子組成的二維材料是目前存在的最強、最薄的材料，并且是極優秀的電導體。石墨烯的獨特之處在于，其結構中碳原子以六元環方式排列，使電子能以極高的速度傳播，并且不發生散射，相較于其他導體大大節省了導電過程中被損耗的能量。

曹原及其團隊的科研成果，用簡單的方式實現石墨烯從絕緣體到超導體的轉變，打開了一扇非常規超導體研究的大門。他們的這一發現，被科學界視為破解了困擾全世界物理學界107年的世界難題。

如今，全球物理學家都迫不及待地試圖在其他扭轉的二維材料上創造出像曹原團隊那樣激動人心的實驗。一些研究者甚至希望石墨烯可以揭開復雜材料高溫超導的奧秘。

“我們能做的事情太多了。”哥倫比亞大學物理系助理教授科里·迪安說道，“我眼下都要被機會淹沒了。”

過去幾年，這位助理教授一直致力研究，如何在保存石墨烯所有優點的同時產生帶隙-電子開關。這是因為，石墨烯的無帶隙結構既使其具備超常導電性，又帶來棘手的應用問題——因為無帶隙，電子一旦開動就像泄洪一般無法控制“開與閉”。

眼下，石墨烯的商業化應用已經落地。像智能手機制造商紛紛為新產品加持石墨烯。

國內已有手機，首次應用石墨烯散熱，等效導熱能力是純銅膜的2.8倍;發布不久的一款國產手機內置石墨烯電池，16分鐘即可充滿;而三星手機預計在2019年發布的Note 10中使用石墨烯電池。

曹原的研究成果，能進一步提速石墨烯在消費電子領域的應用。而在一個月前，德國最大科學研究機構亥姆霍茲聯合會下屬材料與能源研究部門宣布，稱已經發現一種適用于大規模生產雙層石墨烯的工藝方法。