22歲在讀博士生發(fā)現(xiàn)石墨烯“魔角”，榮登Nature全球十大科學(xué)人物榜首

    2018年3月5日，《自然》連續(xù)刊發(fā)兩篇以曹原為第一作者的石墨烯重磅論文，這是在《自然》上以第一作者身份發(fā)表論文的最年輕中國(guó)學(xué)者。這位中科大少年班的畢業(yè)生、美國(guó)麻省理工學(xué)院的博士生發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩層平行石墨烯堆成約1.1°的微妙角度，就會(huì)產(chǎn)生神奇的超導(dǎo)效應(yīng)。

    《自然》周刊稱曹原為“石墨烯駕馭者”，他發(fā)現(xiàn)了讓石墨烯實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的方法，開(kāi)創(chuàng)了物理學(xué)一個(gè)全新的研究領(lǐng)域，有望最終實(shí)現(xiàn)能源利用率與能源運(yùn)輸效率的提高。

    曹原于1996年出生于成都，后隨父母遷入深圳，2007年就讀于深圳耀華實(shí)驗(yàn)學(xué)校，僅用三年時(shí)間就讀完了小學(xué)六年級(jí)、初中和高中課程。2010年，他以高考理科總分669分的成績(jī)，考入中科大少年班。

    18歲時(shí)，他在合肥完成了中國(guó)科技大學(xué)的本科學(xué)位，并榮獲中國(guó)科技大學(xué)郭沫若獎(jiǎng)學(xué)金，隨后赴美讀博。曹原稱自己并不特別，大學(xué)還是讀滿了4年，只是跳過(guò)了中學(xué)階段的一些“無(wú)聊的東西”。

    2014年，曹原加入美國(guó)麻省理工學(xué)院Pablo Jarillo-Herrero課題組。當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)室正在嘗試用不同的角度堆疊、旋轉(zhuǎn)碳原子層，曹原負(fù)責(zé)的工作是研究壘在一起的兩層石墨烯彼此間輕微角度偏轉(zhuǎn)會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象。

    按照理論預(yù)測(cè)，輕微的偏轉(zhuǎn)就會(huì)讓材料屬性產(chǎn)生劇變，然而還沒(méi)有人能夠證實(shí)，所以許多物理學(xué)家對(duì)此心存懷疑。

    曹原搭成微妙偏轉(zhuǎn)的石墨烯層后，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)把材料置于一個(gè)小型電場(chǎng)，且溫度降至絕對(duì)零度以上1.7度時(shí)，可以導(dǎo)電的石墨烯竟然變成了絕緣體，這個(gè)發(fā)現(xiàn)非常令人吃驚。

    然而，更好的還在后面。曹原稍微調(diào)整一下電場(chǎng)，偏轉(zhuǎn)的石墨烯層就變成了超導(dǎo)體，電流無(wú)阻穿過(guò)。進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)后，得到了同樣的現(xiàn)象，曹原的發(fā)現(xiàn)被確認(rèn)。

    把平行的兩層石墨烯旋轉(zhuǎn)成約1.1°的“魔角”并不容易，需要很多試錯(cuò)，但曹原很快就能操作成功。“他的實(shí)驗(yàn)技巧至關(guān)重要”，他的導(dǎo)師Jarillo-Herrero說(shuō)道。

    曹原開(kāi)創(chuàng)了一種撕出單層石墨烯的方法，以制出具有相同角度的雙層堆疊，并能微調(diào)校準(zhǔn)。他還通過(guò)調(diào)整到低溫，使超導(dǎo)性得以更清晰地顯現(xiàn)。

    曹原動(dòng)手能力超強(qiáng)，總喜歡把東西拆開(kāi)再重裝。他會(huì)用自制的照相機(jī)和望遠(yuǎn)鏡拍攝夜空，享受自己的時(shí)光，相關(guān)的零件撒滿了他的辦公室。Jarillo-Herrero說(shuō)：“他是個(gè)“修補(bǔ)匠”，每次我走進(jìn)去，里面都亂糟糟的，計(jì)算機(jī)被拆開(kāi)了，桌上滿是望遠(yuǎn)鏡零件。”

    曹原年輕又靦腆，但實(shí)驗(yàn)室的同事們認(rèn)為曹原的成熟表現(xiàn)在了堅(jiān)持不懈上。比如曹原曾與麻省理工學(xué)院的物理學(xué)研究生項(xiàng)目失之交臂，但他沒(méi)有放棄，另辟新徑通過(guò)電氣工程項(xiàng)目進(jìn)入了Jarillo-Herrero的課題組，堅(jiān)持繼續(xù)做物理。

    在博士開(kāi)局階段，曹原曾花了六個(gè)月時(shí)間研究出了一份看似令人激動(dòng)的數(shù)據(jù)，但最終卻發(fā)現(xiàn)那只是實(shí)驗(yàn)中的巧合，曹原也沒(méi)有氣餒。“他雖然不開(kāi)心，但也只是卷起袖子繼續(xù)干了。”Jarillo-Herrero說(shuō)道。

    每年《自然》十大人物的封面圖片都是一個(gè)巨大的數(shù)字“10”，只是具體樣式和底紋的設(shè)計(jì)會(huì)融入當(dāng)年的科技熱點(diǎn)。如2016年的封面圖片形如漣漪，暗示當(dāng)年最大的科學(xué)成果引力波的發(fā)現(xiàn)。被外界評(píng)為“人工智能元年”的2017年的封面圖片則融入了計(jì)算機(jī)代碼的元素。

    今年的封面圖片明顯指向曹原的發(fā)現(xiàn)，數(shù)字“10”中的“0”被處理成一個(gè)正六邊形，宛如構(gòu)成石墨烯的碳環(huán)結(jié)構(gòu)。仔細(xì)看可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)字“10”都是由二層蜂窩狀的小正六邊形填涂而成，分別為紅色和藍(lán)色，兩層之間有微小的夾角，使得圖像出現(xiàn)了重影。這點(diǎn)出了賦予石墨烯超導(dǎo)能力的“魔角”。

    曹原的發(fā)現(xiàn)讓學(xué)界認(rèn)識(shí)到簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)就能讓碳原子薄膜進(jìn)入復(fù)雜的電子態(tài)，如今物理學(xué)家們都爭(zhēng)著要在其他扭轉(zhuǎn)的二維材料上尋找激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)，希望通過(guò)石墨烯揭開(kāi)復(fù)雜材料高溫超導(dǎo)的奧秘。哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)家Cory Dean說(shuō)：“這下我們能做的事情太多了，我都要被機(jī)會(huì)淹沒(méi)了。”

    今年22歲的曹原，尚不明確自己的科研生涯會(huì)走向何方。他表示，關(guān)于魔角石墨烯，我們還要做很多工作。

    然而，曹原在中科大的研究生導(dǎo)師、物理學(xué)家曾長(zhǎng)淦表示，世界范圍的大學(xué)已經(jīng)對(duì)他青眼有加，不僅拋來(lái)博士后工作，還有教職。曾長(zhǎng)淦說(shuō)：“現(xiàn)在，中國(guó)的凝聚態(tài)物理學(xué)界，人人都知道了曹原的名字，中科大也樂(lè)讓他回來(lái)。不過(guò)曹原目前應(yīng)該還是會(huì)留在美國(guó)，畢竟在那里，更容易看到璀璨群星。”