曹原：22岁学霸解决物理界百年难题

裘雪琼

2018年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。

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。

高考669分进入少年班

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”。

曹原是那种天才少年。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。有媒体报到，他于2007年就读深圳耀华实验学校时，用3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，曹原如鱼得水。

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。”

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6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。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℃）以上1.7℃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℃）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。

理论转为实际操做并非易事。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，并配以第三篇文章做为评述。

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（-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，全世界的科學家尝试各种试验，想要找到一种“低成本超导材料”。

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。

石墨烯

眼下，石墨烯的商业化应用已经落地。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。而在不久前，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。

（张敏荐自《博客天下》）