曹原 石墨烯的駕馭者

梁偉

2018年12月18日，世界頂尖學(xué)術(shù)期刊英國《自然》雜志發(fā)布了“2018年度科學(xué)人物”，讓人意外的是，位居榜首的居然是1996年出生、在美國麻省理工學(xué)院攻讀博士的中國留學(xué)生曹原。每年《自然》年度十大人物的封面圖片都是一個巨大的數(shù)字“10”，具體樣式和底紋都會融入當(dāng)年的科技熱點進(jìn)行設(shè)計，而這期封面圖片明顯指向曹原的成果。數(shù)字“10”中的“0”被處理成一個正六邊形，宛如構(gòu)成石墨烯的碳環(huán)結(jié)構(gòu)，整個數(shù)字“10”則點出了賦予石墨烯超導(dǎo)能力的“魔角”。

未滿23歲的曹原被《自然》雜志稱為“石墨烯的駕馭者”，他發(fā)現(xiàn)了使石墨烯能夠在沒有電阻的情況下導(dǎo)電的方法，破解了困擾物理學(xué)界107年的世界難題。可以說，這一發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了一個新的領(lǐng)域，該方法將會使能源的使用和運(yùn)輸更為有效。

“仰望星空能讓我安靜下來”

曹原喜歡仰望星空。他說：“仰望星空能讓我安靜下來。”

曹原的世界一直都是安靜的，卻又是不平靜的，甚至可以說是波瀾壯闊的。他一直是很多人口中那個“別人家的孩子”，因為太過優(yōu)秀。

2007年，曹原成為深圳耀華實驗學(xué)校的學(xué)生，連當(dāng)年的老師都沒有想到，會遇到自己執(zhí)教生涯最特殊的一個孩子，這個孩子僅僅用了三年時間就讀完了小學(xué)六年級、初中和高中的全部課程。

“曹原是六年級來到耀華的，在我的印象中，他智力超群，學(xué)習(xí)力很強(qiáng)。”曹原當(dāng)年的班主任、耀華實驗學(xué)校副校長肖甜表示。“上學(xué)的時候，他已經(jīng)展示出了過人的靈氣和天賦。善于思考，勤于動手，我們發(fā)現(xiàn)了他這個特點，著重在動手能力培養(yǎng)方面給他創(chuàng)造條件。而他的家長也不惜一切代價，給他創(chuàng)造條件——支持曹原在家里搭了一個小實驗室，還購置了一批化學(xué)、物理的實驗儀器。學(xué)校為了滿足他的好奇心，提供超過教學(xué)大綱的實驗條件。”

對于這樣的評價，曹原的中學(xué)物理老師黃佳堂表示贊同：“那時他特別小，也很淘氣。他會把教室的講臺或桌子拆出來，就為了看里面是什么構(gòu)造，我們也不知道沒有工具的他是怎么做到的。”“拆東西”這個習(xí)慣也延續(xù)伴隨著曹原到了現(xiàn)在，《自然》雜志稱，曹原在麻省理工的導(dǎo)師也認(rèn)為他的內(nèi)心深處是個“修補(bǔ)匠”，喜歡把東西拆開重裝，每次進(jìn)入他的辦公室，里面都亂糟糟的，桌上堆滿了計算機(jī)和自制望遠(yuǎn)鏡的零件。

黃佳堂回憶，在課堂上，他曾為曹原他們講過，金屬的電阻率隨溫度的降低而減小，當(dāng)溫度降低到很低的時候就沒有電阻了，這種狀態(tài)叫超導(dǎo)狀態(tài)。但基于目前的技術(shù)，要在負(fù)160攝氏度才行。這個問題是物理界的難題，如果能在常溫下發(fā)現(xiàn)這種材料，就可能顛覆世界。當(dāng)時，曹原還和同學(xué)商量以后問老師：“怎么樣才能使常溫下的材料電阻為零？改變材料性質(zhì)的方法行不行？”黃佳堂當(dāng)時的回答是：“這需要你們?nèi)パ芯浚绻銈冄芯砍鰜恚蔷秃苡锌赡芨淖兪澜纾　?/p>

而這個問題，也成為黃佳堂的常備問題，對于每一屆學(xué)生，他都會提出來，而現(xiàn)在，他的學(xué)生曹原已經(jīng)給了答案。“沒想到曹原真的在這個領(lǐng)域做出了深入的研究，有了現(xiàn)在的成果，太不可思議了，我為他感到驕傲！”黃佳堂說。

“我們還有很多事情要做”

2010年，曹原以高分考入了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班，那一年，他只有14歲。四年后，他從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲得了本科學(xué)位，前往美國攻讀博士。此后，曹原再接再厲，先后發(fā)表了兩篇關(guān)于原子厚度碳片層奇異行為的論文，開啟了物理學(xué)的一個全新領(lǐng)域。曹原承認(rèn)自己的情況有別于常人，但是說自己并不特殊，畢竟他還是用四年時間讀完大學(xué)本科，“我只是跳過了中學(xué)里一些無趣的部分”。

2014年，曹原加入了Pablo Jar i l loHerrero在麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊，該團(tuán)隊當(dāng)時已經(jīng)開始進(jìn)行將碳片層堆疊和旋轉(zhuǎn)至不同角度的嘗試。曹原的主要工作是考察在堆疊的雙層石墨烯中，如果將其中一層相對另一層旋轉(zhuǎn)極小的角度后會發(fā)生什么。根據(jù)一種理論預(yù)測，這種扭曲會極大地改變石墨烯的行為，但許多物理學(xué)家對此持懷疑態(tài)度。曹原決心創(chuàng)造出這種以微妙角度扭曲的雙層石墨烯，并發(fā)現(xiàn)了一些奇異的現(xiàn)象。對石墨烯施加微弱的電場并冷卻至絕對零度以上1.7度時，會讓能導(dǎo)電的石墨烯變成絕緣體。這一發(fā)現(xiàn)本身不可謂不令人驚訝。

曹原說：“我們已經(jīng)料到這會對整個領(lǐng)域帶來巨大影響。但更好的消息還在后面：只需稍微調(diào)整一下電場，扭曲的雙層石墨烯就能成為一個超導(dǎo)體，讓電子實現(xiàn)零電阻流動。”他們在第二個樣本中觀察到了同樣的現(xiàn)象，最終確認(rèn)了自己親眼所見的事實。

通過簡單的旋轉(zhuǎn)就能讓原子厚度的碳材料產(chǎn)生復(fù)雜的電子態(tài)，這一研究成果讓物理學(xué)家爭相對其它扭曲二維材料的奇異行為進(jìn)行實驗。一些物理學(xué)家甚至希望石墨烯能夠闡明復(fù)雜材料為何會在更高的溫度下成為超導(dǎo)體。哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)家Cory Dean表示：“我們接下來可以做的事情太多了，眼前的機(jī)會巨大。”成功將平行的雙層石墨烯扭曲至約1.1°的“魔角”需要一些試錯，但曹原很快就掌握了可靠的方法。Jarillo-Herrero認(rèn)為曹原的實驗技巧至關(guān)重要。

曹原原創(chuàng)的方法先將單層石墨烯撕裂，組成方向相同的雙層石墨烯，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行微調(diào)校準(zhǔn)。曹原還通過調(diào)整低溫系統(tǒng)，達(dá)到了能讓超導(dǎo)態(tài)更為顯著的溫度。

2018年3月5日，《自然》發(fā)表了兩篇以曹原為第一作者的石墨烯重磅論文。曹原發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩層平行石墨烯堆成約1.1°的微妙角度，就會產(chǎn)生神奇的超導(dǎo)效應(yīng)，而他也成為以第一作者身份在該雜志上發(fā)表論文的最年輕的中國學(xué)者。有科學(xué)家指出，曹原這組重磅論文的發(fā)表，可能預(yù)示著改變?nèi)祟惿畹闹卮蟀l(fā)現(xiàn)。

今天的曹原雖然還很年輕，略帶羞澀，但在他的同事眼中，曹原的堅持不懈體現(xiàn)了他的成熟。雖然以微弱差距錯過麻省理工的物理學(xué)研究生項目，但曹原想辦法通過電氣工程系加入了Jarillo-Herrero的團(tuán)隊來學(xué)習(xí)這一課程。另外，曹原對博士生涯的出師不利也并沒有過多在意：他發(fā)現(xiàn)6個月費(fèi)心解讀的看似激動人心的數(shù)據(jù)其實只是實驗裝置造成的巧合。Jarillo-Herrero說：“他不大高興，但他只是擼起袖子繼續(xù)干。”

“90后”的曹原對自己未來的職業(yè)道路還不確定，他說：“在魔角石墨烯上，我們還有很多事情要做。”曹原本科時的指導(dǎo)老師、中科大物理學(xué)家曾長淦表示，全球各大高校已經(jīng)在用博士后職位，甚至是教職崗位來吸引他，“在中國的凝聚態(tài)物理學(xué)家中，每個人都知道他的名字”。

年度科學(xué)人物中的中國面孔

在學(xué)術(shù)界享有盛譽(yù)的國際綜合性科學(xué)周刊《自然》每年年末都會評出年度科學(xué)人物，榜單上，入選人士都是過去一年里在全球科學(xué)界最具影響力的人物。這些不同領(lǐng)域的科學(xué)家在當(dāng)年的科學(xué)史上留下了不可磨滅的印記。

2012 王俊

王俊曾領(lǐng)導(dǎo)的華大基因是世界上最大的基因測序公司。1999年，華大基因支持了人類基因組計劃的1%，而到2012年底，華大基因的測序數(shù)據(jù)產(chǎn)出能力占全球一半以上。華大基因致力于用基因科技造福人類。

2013 陳化蘭

2013年，中國發(fā)現(xiàn)了人類感染H7N9禽流感病毒病例。中國國家禽流感參考實驗室主任陳化蘭及其團(tuán)隊沖在遏制禽流感病毒疫情爆發(fā)的第一線，并投入到對H7N9禽流感的研究之中，幫助中國平息H7N9禽流感疫情。

2017 潘建偉

依托中國發(fā)射的“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，潘建偉團(tuán)隊2017年實現(xiàn)多項世界領(lǐng)先的量子通信技術(shù)突破，通過衛(wèi)星和地面站之間的量子密鑰分發(fā)，實現(xiàn)星地量子保密通信，并通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實現(xiàn)可覆蓋全球的量子保密通信。