中国22岁学霸：一招解决物理界百年难题

裘雪琼

全球十大科学人物榜单上，贺建奎因“反派”身份入围，22岁的曹原则因发现石墨烯超导角度名列第一。

12月19日，世界顶尖学术期刊、英国《自然》杂志公布了2018年度影响世界的十大科学人物。

值得注意的是，《自然》只选取当年对科学界产生最大影响力的十位人物，并不一定是正面形象。2018年榜单中的“反派”就是半路出家的基因编辑学者、南方科技大学副教授贺建奎。

“他在世界舞台上登场得匆匆，消失得也匆匆。”《自然》在一篇名为《CRISPR流氓》》的特写文章中写道。

影响力第一的曹原才22岁。这位中科大少年班毕业生、美国麻省理工学院在读博士，9个月前在《自然》杂志的网站以第一作者的身份发表了2篇关于石墨烯的重磅论文。

他发现，当两层平行石墨烯堆成约1.1°的微妙角度，就会产生神奇的超导效应。这一轰动国际学界的新发现，直接开辟了凝聚态物理的一块新领域。如今，许多学者正在试图复制、拓展他的研究。

三年读完小初高，高考拿669分

每年《自然》的十大人物的封面图片都是一个巨型数字“10”，但具体样式和底纹都会结合当年的科技热点来设计。

2018年的封面图片指向曹原的成果。数字“10”中的“0”被处理成一个正六边形，就像构成石墨烯的碳环结构。再细看，“10”由2层蜂窝状的小正六边形填涂而成，分别为红色和蓝色，两层之间有微小夹角，使得图像出现重影。这点出了赋予石墨烯超导能力的“魔角”。

曹原

2018年10月16日，伦敦，华为正式发布了新一代Mate 20系列新品，Mate 20X手机选择了超大容量的5000mAh电池，采用了石墨烯+液冷散热系统组合

曹原是那種天才少年。他1996年出生于成都，14岁时从深圳耀华实验学校考入中国科学技术大学少年班学院，并入选“严济慈物理英才班”。

天才往往接受“超常教育”，曹原也不例外。有媒体报道，他于2007年就读深圳耀华实验学校时，用三年时间读完小学六年级、初中和高中的课程，高考总分为理科669分。对此，他轻描淡写，“我只是跳过了中学里面一些无聊的东西。”

2010年考入强手如林的中国科技大学少年班学院后，曹原依然如鱼得水。教授《计算物理》的丁泽军教授向新创校友基金会介绍他是一个“很聪明的家伙”，“本科时计算物理课程中的课题研究成果发了一篇文章。也没花多少时间，也就是一个寒假就做完了”。

“这是在我实验室混过的娃，”中科大物理学院教授曾长淦对曹原同样印象深刻，“我们的研究以实验为主，但曹原发的却是理论文章。虽然在实验选题、方向与写作上我可给他指导，但在技术细节上无法手把手教他。”

但曹原很令人放心：接受的题目一定能做出来;做研究十分主动，如果计算遇到困难，他永远会尝试其他的软件方法。

而且曹原兴趣广泛。他喜欢捣鼓计算机，也经常在朋友圈晒天文观测的照片。他并不恃才傲物，反而低调沉稳，情商很高。

2012年，他作为中科大派出的首批交流生，前往美国密歇根大学游学;次年6月，他获得中科大“顶尖海外交流奖学金”，同时被牛津大学选中，受邀开展为期两个月的科研实践。

2014年，曹原本科毕业，荣获中国科技大学本科生最高荣誉郭沫若奖学金，并前往美国麻省理工大学攻读博士学位。入选《自然》十大科学人物后，一位与曹原熟悉的少年班毕业生如此感叹：“他实在是太强了，在科大是传说级的人物。”

魔法角度，石墨烯零阻力传输电子

曹原与麻省理工学院的物理学研究生项目失之交臂，但他通过电气工程与计算机科学系进入了Jarillo-Herrero的课题组，实现继续做物理研究的心愿。

博士开局阶段，他遭逢过失望。当时，他花了六个月时间研究一份似乎令人激动的数据，但最终发现那仅仅是实验设置中的巧合。“他不开心，但他只是卷起袖子继续干了。”Jarillo-Herrero记得。

那会儿，课题组已经开始用不同的角度堆叠、旋转碳原子层了。曹原的研究内容为，当垒在一起的两层石墨烯彼此间轻微偏转时会发生什么。按照理论预测，轻微的偏转就会让材料行为产生剧变，但有许多物理学家对此心存怀疑。

曹原着手搭成微妙偏转的石墨烯层后，有了两个神奇的发现：当被置于一个小型电场，且温度降到绝对零度（-273度）以上1.7度时，能导电的石墨烯成了绝缘体;但稍微调整一下电场，偏转的石墨烯层就变成了超导体，电流可无阻流动。当第二个样本中观察到同样的现象后，实验组相信这是真的。

2017年8月8日，曹原团队在理论上论证：只要将两层石墨烯旋转到特定的“魔法角度”（即1.1度）叠加时，它们就可以在零阻力的情况下传导电子，即刻显现超导特性。

理论转为实操并非易事。7个多月的反复实验过程中，他夜以继日地守在实验室，克服样品无法承受高热、机械部件有滞留回差等困难，终于在2018年3月成功完成石墨烯的“超导电实验”。

重磅消息引爆了全球，世界顶级学术期刊《自然》在一天之内连续刊登了两篇他的关于石墨烯超导的论文。一个有意思的细节是，拿到这篇研究论文时，《自然》甚至都等不及排版，先行在其网站上刊出文章，并配以第三篇文章作为评述。

导师Jarillo-Herrero认为，曹原开创了一种撕出单层石墨烯的方法，制出具有相同角度的雙层堆叠，并能再度微调校准;另外，他调整了低温系统的温度，使超导性得以更清晰地显现。

而研究的成功，离不开曹原丰富的动手能力与实验技巧。中学时代，他经常跑深圳电子市场，买回一大堆电子元件，拆了装，装了拆，直到研究清楚电子线路。

他位于麻省理工的办公室堆满了计算机和自制望远镜的零件。他喜欢天文摄影，因为“仰望星空总是能让我安静下来”。空闲时，他会在办公室用自制的照相机和望远镜拍摄夜空。

22岁的曹原，还不能知道自己的科研生涯讲会走向何方。但他明确的一点是，“关于魔角石墨烯，我们还要做很多工作”。

当两层平行石墨烯堆成约1.1°的角度，就会产生超导效应。这一发现开辟了凝聚态物理的新领域

寻找超导体材料的107年

众所周知，从发电站到用户端的传送过程中，电能的传输损耗是巨大的。例如，能源公司损失大约7%能源的热，这与电力网中阻抗所造成的热一样。

1911年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯发现，当汞被冷却至接近绝对零度（-273℃）时，电子可以通行无“阻”，从而将能源损耗降到最低。这个“零电阻状态”被称为“超导电性”，这是人类第一次发现超导体的存在，而昂内斯因此获得了诺贝尔奖。

可是超导体要在接近绝对零度（即-273℃）的环境下，才能显示出近乎0损耗输电的能力而这种冷却材料成本高企、无法投入大规模应用。

此后，全世界的科学家都尝试各种试验，想要找到一种“低成本超导材料”。直到1980年时，有人发现了铜氧化物，这种材料达到超导状态的最高温度为133K（即-140℃），但是铜氧化物结构难以调整，依然无法实现超导机制。

1998年诺贝尔奖物理学奖获得者罗伯特·劳夫林说，物理学家们已经在黑暗（即超导研究）中徘徊了30年，想要解开铜氧化物超导的秘密。

十多年前，科学界首次发现石墨烯及其特殊的电子性质。这种由六角键合的碳原子组成的二维材料是目前存在的最强、最薄的材料，并且是极优秀的电导体。石墨烯的独特之处在于，其结构中碳原子以六元环方式排列，使电子能以极高的速度传播，并且不发生散射，相较于其他导体大大节省了导电过程中被损耗的能量。

曹原及其团队的科研成果，用简单的方式实现石墨烯从绝缘体到超导体的转变，打开了一扇非常规超导体研究的大门。他们的这一发现，被科学界视为破解了困扰全世界物理学界107年的世界难题。

如今，全球物理学家都迫不及待地试图在其他扭转的二维材料上创造出像曹原团队那样激动人心的实验。一些研究者甚至希望石墨烯可以揭开复杂材料高温超导的奥秘。

“我们能做的事情太多了。”哥伦比亚大学物理系助理教授科里·迪安说道，“我眼下都要被机会淹没了。”

过去几年，这位助理教授一直致力研究，如何在保存石墨烯所有优点的同时产生带隙-电子开关。这是因为，石墨烯的无带隙结构既使其具备超常导电性，又带来棘手的应用问题——因为无带隙，电子一旦开动就像泄洪一般无法控制“开与闭”。

眼下，石墨烯的商业化应用已经落地。像智能手机制造商纷纷为新产品加持石墨烯。

国内已有手机，首次应用石墨烯散热，等效导热能力是纯铜膜的2.8倍;发布不久的一款国产手机内置石墨烯电池，16分钟即可充满;而三星手机预计在2019年发布的Note 10中使用石墨烯电池。

曹原的研究成果，能进一步提速石墨烯在消费电子领域的应用。而在一个月前，德国最大科学研究机构亥姆霍兹联合会下属材料与能源研究部门宣布，称已经发现一种适用于大规模生产双层石墨烯的工艺方法。