北京时间12月19日零时,顶尖学术期刊、英国《自然》杂志(Nature)发布了2018年度影响世界的十大科学人物。22岁的天才少年、麻省理工学院在读博士生曹原名列榜单首位。

22岁天才少年曹原发现石墨烯“魔角”


2018年3月5日,《自然》连续刊发两篇以曹原为第一作者的石墨烯重磅论文,这是在《自然》上以第一作者身份发表论文的最年轻中国学者。这位中科大少年班的毕业生、美国麻省理工学院的博士生发现,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。


《自然》周刊称曹原为“石墨烯驾驭者”,他发现了让石墨烯实现超导的方法,开创了物理学一个全新的研究领域,有望最终实现能源利用率与能源运输效率的提高。


曹原于1996年出生于成都,后随父母迁入深圳,2007年就读于深圳耀华实验学校,仅用三年时间就读完了小学六年级、初中和高中课程。2010年,他以高考理科总分669分的成绩,考入中科大少年班。


18岁时,他在合肥完成了中国科技大学的本科学位,并荣获中国科技大学郭沫若奖学金,随后赴美读博。曹原称自己并不特别,大学还是读满了4年,只是跳过了中学阶段的一些“无聊的东西”。


2014年,曹原加入美国麻省理工学院Pablo Jarillo-Herrero课题组。当时实验室正在尝试用不同的角度堆叠、旋转碳原子层,曹原负责的工作是研究垒在一起的两层石墨烯彼此间轻微角度偏转会发生什么现象。


按照理论预测,轻微的偏转就会让材料属性产生剧变,然而还没有人能够证实,所以许多物理学家对此心存怀疑。


曹原搭成微妙偏转的石墨烯层后,他发现当把材料置于一个小型电场,且温度降至绝对零度以上1.7度时,可以导电的石墨烯竟然变成了绝缘体,这个发现非常令人吃惊。


然而,更好的还在后面。曹原稍微调整一下电场,偏转的石墨烯层就变成了超导体,电流无阻穿过。进行重复试验后,得到了同样的现象,曹原的发现被确认。


把平行的两层石墨烯旋转成约1.1°的“魔角”并不容易,需要很多试错,但曹原很快就能操作成功。“他的实验技巧至关重要”,他的导师Jarillo-Herrero说道。


曹原开创了一种撕出单层石墨烯的方法,以制出具有相同角度的双层堆叠,并能微调校准。他还通过调整到低温,使超导性得以更清晰地显现。


曹原动手能力超强,总喜欢把东西拆开再重装。他会用自制的照相机和望远镜拍摄夜空,享受自己的时光,相关的零件撒满了他的办公室。Jarillo-Herrero说:“他是个“修补匠”,每次我走进去,里面都乱糟糟的,计算机被拆开了,桌上满是望远镜零件。”


曹原年轻又腼腆,但实验室的同事们认为曹原的成熟表现在了坚持不懈上。比如曹原曾与麻省理工学院的物理学研究生项目失之交臂,但他没有放弃,另辟新径通过电气工程项目进入了Jarillo-Herrero的课题组,坚持继续做物理。


在博士开局阶段,曹原曾花了六个月时间研究出了一份看似令人激动的数据,但最终却发现那只是实验中的巧合,曹原也没有气馁。“他虽然不开心,但也只是卷起袖子继续干了。”Jarillo-Herrero说道。


每年《自然》十大人物的封面图片都是一个巨大的数字“10”,只是具体样式和底纹的设计会融入当年的科技热点。如2016年的封面图片形如涟漪,暗示当年最大的科学成果引力波的发现。被外界评为“人工智能元年”的2017年的封面图片则融入了计算机代码的元素。

22岁天才少年曹原发现石墨烯“魔角”


今年的封面图片明显指向曹原的发现,数字“10”中的“0”被处理成一个正六边形,宛如构成石墨烯的碳环结构。仔细看可以发现,数字“10”都是由二层蜂窝状的小正六边形填涂而成,分别为红色和蓝色,两层之间有微小的夹角,使得图像出现了重影。这点出了赋予石墨烯超导能力的“魔角”。


曹原的发现让学界认识到简单的旋转就能让碳原子薄膜进入复杂的电子态,如今物理学家们都争着要在其他扭转的二维材料上寻找激动人心的发现,希望通过石墨烯揭开复杂材料高温超导的奥秘。哥伦比亚大学物理学家Cory Dean说:“这下我们能做的事情太多了,我都要被机会淹没了。”


今年22岁的曹原,尚不明确自己的科研生涯会走向何方。他表示,关于魔角石墨烯,我们还要做很多工作。


然而,曹原在中科大的研究生导师、物理学家曾长淦表示,世界范围的大学已经对他青眼有加,不仅抛来博士后工作,还有教职。曾长淦说:“现在,中国的凝聚态物理学界,人人都知道了曹原的名字,中科大也乐让他回来。不过曹原目前应该还是会留在美国,毕竟在那里,更容易看到璀璨群星。”


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