曹原：超導世界的天才“95后”

謝芳

倫敦時間2020年5月6日，中科大2010級少年班校友、美國麻省理工學院“95后”博士生曹原分別以第一作者兼共同通訊作者、共同第一作者的身份在最新一期《自然》上連發兩篇石墨烯論文。

其實，早在2018年3月5日，《自然》就在網站連發兩篇以曹原為第一作者的重磅石墨烯論文，并專門配發了賓夕法尼亞大學教授Eugene J. Mele對這一重大突破的評述。曹原也因此成為在《自然》上以第一作者身份發表論文的最年輕中國學者。

2018年12月18日，《自然》雜志發布了2018年度科學人物，位居榜首的正是曹原。許多報道將其稱為“中國潛在的最年輕的諾貝爾獎獲得者”。

到底有多厲害？

《自然》（Nature）與《科學》（Science）、《細胞》（Cell）并稱世界三大頂級科學期刊。

能夠在三大期刊上發文，是無數科學家孜孜以求的目標，也是評選諾貝爾獎、競選院士、展示大學和科研機構研究實力的重要依據。

不過，單是《自然》高達90%的斃稿率，就足以讓人望而生畏。

從全球范圍內來看，有能力在三大期刊發表文章的，要么是世界頂級實驗室，要么是世界頂級團隊，要么兩者兼具。

這些頂級隊伍的專家教授，一邊爭分奪秒地做實驗，一邊密切盯著競爭對手的動向，打開電腦第一件事就是，看三大期刊發表了哪些相關領域的論文，如果沒有新的，就可以松口氣，如果別人發表出來相關成果，自己的研究差不多就前功盡棄了！

曾在《科學》發表論文、后被普林斯頓大學聘為終身教授的顏寧，曾用“向死而生”描述這種狀況。

曹原在21歲的年紀，就作為第一作者，一次性發表了兩篇，堪稱“神之操作”。

而且，《自然》等不及排版就先行在網站上刊出，并配以第三篇文章作評述，可見其重視程度之深。

更厲害的是兩年后，他在《自然》上再次連發兩篇，介紹魔角石墨烯研究的新突破。

為超導體30年之尋打開新思路

2018年引起轟動的兩篇論文，到底講了什么？

曹原及其團隊發現，將兩層石墨烯疊加在一起，當轉角接近魔角（Magic angle）即1.1°、同時溫度環境達到1.7K（-271℃）時，它們會表現出非常規超導電性，其屬性與銅氧化物（其結構往往難以調整）的高溫超導性類似。

其實，要想理解這兩篇論文的意義所在，先要了解什么是超導電性。

1911年，荷蘭物理學家海克·卡末林·昂內斯等人發現當汞被冷卻至接近0K（-273℃）時，電子可以通行無“阻”。他們將這個“零電阻狀態”稱為“超導電性”。具有超導電性的材料有很強的應用價值，因為，一般材料在導電過程中會消耗大量能量。

以傳輸電纜為例，從發電站到用戶的傳送過程中，消耗損失的能量越小，經濟效益越大。

超導體的出現，使傳輸過程中的能量損耗幾乎為零。不過，目前絕大多數超導體僅在接近0K（-273℃）溫度下工作，維持低溫使超導體的應用成本顯著提升。

如果材料能在室溫下實現超導，就能避開昂貴的冷卻費，徹底改變能量傳輸、醫療掃描儀和運輸等相關領域的現狀。

既然室溫超導效益這么好，那找到合適的材料不就行了嗎？沒這么簡單，目前，材料達到超導狀態的最高溫度約為133K（-140℃），這種材料就是銅氧化物，于20世紀80年代被發現。

30多年來，在尋找室溫超導體的路上，銅氧化物一直是物理學家關注的焦點。

但是，上文也提到了銅氧化物的結構往往難以調整，所以，很難通過實驗發現其實現超導的機制。曹原及其團隊的貢獻就是，在描述雙層石墨烯的電子密度與溫度關系時，發現了與銅氧化物超導體相似的結果。這為物理學家發現銅氧化物超導機制提供了一個前所未有的體系，也為尋找室溫下的超導材料提供了思路。

研究的另一亮點在于，僅用純碳基的石墨烯來實現超導相，也是人們期待已久的。因為石墨烯有各種奇特的性質，比如高電導率、透光率、機械強度、穩定性等等，都已不同程度地得到了應用，唯獨超導性質遲遲未能實現。

有網友就此評價：《自然》應該為能刊發曹原團隊的文章而感到榮幸。

而2020年最新的兩篇論文意義依舊重大，在第一篇論文中，曹原等人致力于通過對扭轉角的控制，將魔角特性推廣到其他二維研究體系，以調諧和控制電子—電子相互作用的強度，實現相似的物理行為。

曹原榮獲郭沫若獎時與時任校長侯建國院士合影。圖片|瞭望智庫

研究結果將為探索多平帶雙扭超晶格中扭角和電場控制的相關物質相提供理論依據。

在另一篇論文中，曹原等人致力于研究扭曲角的分布信息。他們以六方氮化硼（hBN）封裝的MATBG為研究對象，通過使用納米級針尖掃描超導量子干涉裝置（SQUID-on-tip）獲得處于量子霍爾態的朗道能級的斷層圖像，并繪制了局部θ變化圖。這項研究為相關物理現象的實現和應用提供了指導。

中科大的傳奇人物

曹原取得如此卓越的成就，得益于麻省理工學院的超強團隊，同時也離不開中科大的悉心培育，尤其是中科大少年班的“超常教育”。

中國科學技術大學少年班最早由諾貝爾物理學獎獲得者李政道先生提出。1975年5月，他在回國訪問時發現，中國各行各業百廢待興，科技人才嚴重斷檔，于是通過周總理向毛主席建議：“從全國選拔很少數，約十三四歲左右的、有培養條件的少年，到大學去培訓”，培養一支“少而精的基礎科學工作隊伍”。旨在從少年人才入手，使全國各類人才培養步入正軌。