22歲在讀博士生發(fā)現石墨烯“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學(xué)者。這位中科大少年班的畢業(yè)生、美國麻省理工學(xué)院的博士生發(fā)現，當兩層平行石墨烯堆成約1.1°的微妙角度，就會(huì )產(chǎn)生神奇的超導效應。

    《自然》周刊稱(chēng)曹原為“石墨烯駕馭者”，他發(fā)現了讓石墨烯實(shí)現超導的方法，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)現能源利用率與能源運輸效率的提高。

    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)驗學(xué)校，僅用三年時(shí)間就讀完了小學(xué)六年級、初中和高中課程。2010年，他以高考理科總分669分的成績(jì)，考入中科大少年班。

    18歲時(shí)，他在合肥完成了中國科技大學(xué)的本科學(xué)位，并榮獲中國科技大學(xué)郭沫若獎學(xué)金，隨后赴美讀博。曹原稱(chēng)自己并不特別，大學(xué)還是讀滿(mǎn)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，曹原加入美國麻省理工學(xué)院Pablo Jarillo-Herrero課題組。當時(shí)實(shí)驗室正在嘗試用不同的角度堆疊、旋轉碳原子層，曹原負責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會(huì )發(fā)生什么現象。

    按照理論預測，輕微的偏轉就會(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)家對此心存懷疑。

    曹原搭成微妙偏轉的石墨烯層后，他發(fā)現當把材料置于一個(gè)小型電場(chǎng)，且溫度降至絕對零度以上1.7度時(shí)，可以導電的石墨烯竟然變成了絕緣體，這個(gè)發(fā)現非常令人吃驚。

    然而，更好的還在后面。曹原稍微調整一下電場(chǎng)，偏轉的石墨烯層就變成了超導體，電流無(wú)阻穿過(guò)。進(jìn)行重復試驗后，得到了同樣的現象，曹原的發(fā)現被確認。

    把平行的兩層石墨烯旋轉成約1.1°的“魔角”并不容易，需要很多試錯，但曹原很快就能操作成功。“他的實(shí)驗技巧至關(guān)重要”，他的導師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，并能微調校準。他還通過(guò)調整到低溫，使超導性得以更清晰地顯現。

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

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

    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)的數據，但最終卻發(fā)現那只是實(shí)驗中的巧合，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)巨大的數字“10”，只是具體樣式和底紋的設計會(huì )融入當年的科技熱點(diǎn)。如2016年的封面圖片形如漣漪，暗示當年最大的科學(xué)成果引力波的發(fā)現。被外界評為“人工智能元年”的2017年的封面圖片則融入了計算機代碼的元素。

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

    曹原的發(fā)現讓學(xué)界認識到簡(jiǎn)單的旋轉就能讓碳原子薄膜進(jìn)入復雜的電子態(tài)，如今物理學(xué)家們都爭著(zhù)要在其他扭轉的二維材料上尋找激動(dòng)人心的發(fā)現，希望通過(guò)石墨烯揭開(kāi)復雜材料高溫超導的奧秘。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師、物理學(xué)家曾長(cháng)淦表示，世界范圍的大學(xué)已經(jīng)對他青眼有加，不僅拋來(lái)博士后工作，還有教職。曾長(cháng)淦說(shuō)：“現在，中國的凝聚態(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)曹原目前應該還是會(huì )留在美國，畢竟在那里，更容易看到璀璨群星。”