中國(guó)22歲學(xué)霸：一招解決物理界百年難題

裘雪瓊

全球十大科學(xué)人物榜單上，賀建奎因“反派”身份入圍，22歲的曹原則因發(fā)現(xiàn)石墨烯超導(dǎo)角度名列第一。

12月19日，世界頂尖學(xué)術(shù)期刊、英國(guó)《自然》雜志公布了2018年度影響世界的十大科學(xué)人物。

值得注意的是，《自然》只選取當(dāng)年對(duì)科學(xué)界產(chǎn)生最大影響力的十位人物，并不一定是正面形象。2018年榜單中的“反派”就是半路出家的基因編輯學(xué)者、南方科技大學(xué)副教授賀建奎。

“他在世界舞臺(tái)上登場(chǎng)得匆匆，消失得也匆匆?！薄蹲匀弧吩谝黄麨椤禖RISPR流氓》》的特寫文章中寫道。

影響力第一的曹原才22歲。這位中科大少年班畢業(yè)生、美國(guó)麻省理工學(xué)院在讀博士，9個(gè)月前在《自然》雜志的網(wǎng)站以第一作者的身份發(fā)表了2篇關(guān)于石墨烯的重磅論文。

他發(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)。這一轟動(dòng)國(guó)際學(xué)界的新發(fā)現(xiàn)，直接開(kāi)辟了凝聚態(tài)物理的一塊新領(lǐng)域。如今，許多學(xué)者正在試圖復(fù)制、拓展他的研究。

三年讀完小初高，高考拿669分

每年《自然》的十大人物的封面圖片都是一個(gè)巨型數(shù)字“10”，但具體樣式和底紋都會(huì)結(jié)合當(dāng)年的科技熱點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)。

2018年的封面圖片指向曹原的成果。數(shù)字“10”中的“0”被處理成一個(gè)正六邊形，就像構(gòu)成石墨烯的碳環(huán)結(jié)構(gòu)。再細(xì)看，“10”由2層蜂窩狀的小正六邊形填涂而成，分別為紅色和藍(lán)色，兩層之間有微小夾角，使得圖像出現(xiàn)重影。這點(diǎn)出了賦予石墨烯超導(dǎo)能力的“魔角”。

曹原

2018年10月16日，倫敦，華為正式發(fā)布了新一代Mate 20系列新品，Mate 20X手機(jī)選擇了超大容量的5000mAh電池，采用了石墨烯+液冷散熱系統(tǒng)組合

曹原是那種天才少年。他1996年出生于成都，14歲時(shí)從深圳耀華實(shí)驗(yàn)學(xué)?？既胫袊?guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班學(xué)院，并入選“嚴(yán)濟(jì)慈物理英才班”。

天才往往接受“超常教育”，曹原也不例外。有媒體報(bào)道，他于2007年就讀深圳耀華實(shí)驗(yàn)學(xué)校時(shí)，用三年時(shí)間讀完小學(xué)六年級(jí)、初中和高中的課程，高考總分為理科669分。對(duì)此，他輕描淡寫，“我只是跳過(guò)了中學(xué)里面一些無(wú)聊的東西?！?/p>

2010年考入強(qiáng)手如林的中國(guó)科技大學(xué)少年班學(xué)院后，曹原依然如魚(yú)得水。教授《計(jì)算物理》的丁澤軍教授向新創(chuàng)校友基金會(huì)介紹他是一個(gè)“很聰明的家伙”，“本科時(shí)計(jì)算物理課程中的課題研究成果發(fā)了一篇文章。也沒(méi)花多少時(shí)間，也就是一個(gè)寒假就做完了”。

“這是在我實(shí)驗(yàn)室混過(guò)的娃，”中科大物理學(xué)院教授曾長(zhǎng)淦對(duì)曹原同樣印象深刻，“我們的研究以實(shí)驗(yàn)為主，但曹原發(fā)的卻是理論文章。雖然在實(shí)驗(yàn)選題、方向與寫作上我可給他指導(dǎo)，但在技術(shù)細(xì)節(jié)上無(wú)法手把手教他?！?/p>

但曹原很令人放心：接受的題目一定能做出來(lái);做研究十分主動(dòng)，如果計(jì)算遇到困難，他永遠(yuǎn)會(huì)嘗試其他的軟件方法。

而且曹原興趣廣泛。他喜歡搗鼓計(jì)算機(jī)，也經(jīng)常在朋友圈曬天文觀測(cè)的照片。他并不恃才傲物，反而低調(diào)沉穩(wěn)，情商很高。

2012年，他作為中科大派出的首批交流生，前往美國(guó)密歇根大學(xué)游學(xué);次年6月，他獲得中科大“頂尖海外交流獎(jiǎng)學(xué)金”，同時(shí)被牛津大學(xué)選中，受邀開(kāi)展為期兩個(gè)月的科研實(shí)踐。

2014年，曹原本科畢業(yè)，榮獲中國(guó)科技大學(xué)本科生最高榮譽(yù)郭沫若獎(jiǎng)學(xué)金，并前往美國(guó)麻省理工大學(xué)攻讀博士學(xué)位。入選《自然》十大科學(xué)人物后，一位與曹原熟悉的少年班畢業(yè)生如此感嘆：“他實(shí)在是太強(qiáng)了，在科大是傳說(shuō)級(jí)的人物?！?h3>魔法角度，石墨烯零阻力傳輸電子

曹原與麻省理工學(xué)院的物理學(xué)研究生項(xiàng)目失之交臂，但他通過(guò)電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系進(jìn)入了Jarillo-Herrero的課題組，實(shí)現(xiàn)繼續(xù)做物理研究的心愿。

博士開(kāi)局階段，他遭逢過(guò)失望。當(dāng)時(shí)，他花了六個(gè)月時(shí)間研究一份似乎令人激動(dòng)的數(shù)據(jù)，但最終發(fā)現(xiàn)那僅僅是實(shí)驗(yàn)設(shè)置中的巧合?！八婚_(kāi)心，但他只是卷起袖子繼續(xù)干了。”Jarillo-Herrero記得。

那會(huì)兒，課題組已經(jīng)開(kāi)始用不同的角度堆疊、旋轉(zhuǎn)碳原子層了。曹原的研究?jī)?nèi)容為，當(dāng)壘在一起的兩層石墨烯彼此間輕微偏轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生什么。按照理論預(yù)測(cè)，輕微的偏轉(zhuǎn)就會(huì)讓材料行為產(chǎn)生劇變，但有許多物理學(xué)家對(duì)此心存懷疑。

曹原著手搭成微妙偏轉(zhuǎn)的石墨烯層后，有了兩個(gè)神奇的發(fā)現(xiàn)：當(dāng)被置于一個(gè)小型電場(chǎng)，且溫度降到絕對(duì)零度（-273度）以上1.7度時(shí)，能導(dǎo)電的石墨烯成了絕緣體;但稍微調(diào)整一下電場(chǎng)，偏轉(zhuǎn)的石墨烯層就變成了超導(dǎo)體，電流可無(wú)阻流動(dòng)。當(dāng)?shù)诙€(gè)樣本中觀察到同樣的現(xiàn)象后，實(shí)驗(yàn)組相信這是真的。

2017年8月8日，曹原團(tuán)隊(duì)在理論上論證：只要將兩層石墨烯旋轉(zhuǎn)到特定的“魔法角度”（即1.1度）疊加時(shí)，它們就可以在零阻力的情況下傳導(dǎo)電子，即刻顯現(xiàn)超導(dǎo)特性。

理論轉(zhuǎn)為實(shí)操并非易事。7個(gè)多月的反復(fù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，他夜以繼日地守在實(shí)驗(yàn)室，克服樣品無(wú)法承受高熱、機(jī)械部件有滯留回差等困難，終于在2018年3月成功完成石墨烯的“超導(dǎo)電實(shí)驗(yàn)”。

重磅消息引爆了全球，世界頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》在一天之內(nèi)連續(xù)刊登了兩篇他的關(guān)于石墨烯超導(dǎo)的論文。一個(gè)有意思的細(xì)節(jié)是，拿到這篇研究論文時(shí)，《自然》甚至都等不及排版，先行在其網(wǎng)站上刊出文章，并配以第三篇文章作為評(píng)述。

導(dǎo)師Jarillo-Herrero認(rèn)為，曹原開(kāi)創(chuàng)了一種撕出單層石墨烯的方法，制出具有相同角度的雙層堆疊，并能再度微調(diào)校準(zhǔn);另外，他調(diào)整了低溫系統(tǒng)的溫度，使超導(dǎo)性得以更清晰地顯現(xiàn)。

而研究的成功，離不開(kāi)曹原豐富的動(dòng)手能力與實(shí)驗(yàn)技巧。中學(xué)時(shí)代，他經(jīng)常跑深圳電子市場(chǎng)，買回一大堆電子元件，拆了裝，裝了拆，直到研究清楚電子線路。

他位于麻省理工的辦公室堆滿了計(jì)算機(jī)和自制望遠(yuǎn)鏡的零件。他喜歡天文攝影，因?yàn)椤把鐾强湛偸悄茏屛野察o下來(lái)”?？臻e時(shí)，他會(huì)在辦公室用自制的照相機(jī)和望遠(yuǎn)鏡拍攝夜空。

22歲的曹原，還不能知道自己的科研生涯講會(huì)走向何方。但他明確的一點(diǎn)是，“關(guān)于魔角石墨烯，我們還要做很多工作”。

當(dāng)兩層平行石墨烯堆成約1.1°的角度，就會(huì)產(chǎn)生超導(dǎo)效應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)開(kāi)辟了凝聚態(tài)物理的新領(lǐng)域

尋找超導(dǎo)體材料的107年

眾所周知，從發(fā)電站到用戶端的傳送過(guò)程中，電能的傳輸損耗是巨大的。例如，能源公司損失大約7%能源的熱，這與電力網(wǎng)中阻抗所造成的熱一樣。

1911年，荷蘭物理學(xué)家?？恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯發(fā)現(xiàn)，當(dāng)汞被冷卻至接近絕對(duì)零度（-273℃）時(shí)，電子可以通行無(wú)“阻”，從而將能源損耗降到最低。這個(gè)“零電阻狀態(tài)”被稱為“超導(dǎo)電性”，這是人類第一次發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的存在，而昂內(nèi)斯因此獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

可是超導(dǎo)體要在接近絕對(duì)零度（即-273℃）的環(huán)境下，才能顯示出近乎0損耗輸電的能力而這種冷卻材料成本高企、無(wú)法投入大規(guī)模應(yīng)用。

此后，全世界的科學(xué)家都嘗試各種試驗(yàn)，想要找到一種“低成本超導(dǎo)材料”。直到1980年時(shí)，有人發(fā)現(xiàn)了銅氧化物，這種材料達(dá)到超導(dǎo)狀態(tài)的最高溫度為133K（即-140℃），但是銅氧化物結(jié)構(gòu)難以調(diào)整，依然無(wú)法實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)機(jī)制。

1998年諾貝爾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者羅伯特·勞夫林說(shuō)，物理學(xué)家們已經(jīng)在黑暗（即超導(dǎo)研究）中徘徊了30年，想要解開(kāi)銅氧化物超導(dǎo)的秘密。

十多年前，科學(xué)界首次發(fā)現(xiàn)石墨烯及其特殊的電子性質(zhì)。這種由六角鍵合的碳原子組成的二維材料是目前存在的最強(qiáng)、最薄的材料，并且是極優(yōu)秀的電導(dǎo)體。石墨烯的獨(dú)特之處在于，其結(jié)構(gòu)中碳原子以六元環(huán)方式排列，使電子能以極高的速度傳播，并且不發(fā)生散射，相較于其他導(dǎo)體大大節(jié)省了導(dǎo)電過(guò)程中被損耗的能量。

曹原及其團(tuán)隊(duì)的科研成果，用簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)石墨烯從絕緣體到超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變，打開(kāi)了一扇非常規(guī)超導(dǎo)體研究的大門。他們的這一發(fā)現(xiàn)，被科學(xué)界視為破解了困擾全世界物理學(xué)界107年的世界難題。

如今，全球物理學(xué)家都迫不及待地試圖在其他扭轉(zhuǎn)的二維材料上創(chuàng)造出像曹原團(tuán)隊(duì)那樣激動(dòng)人心的實(shí)驗(yàn)。一些研究者甚至希望石墨烯可以揭開(kāi)復(fù)雜材料高溫超導(dǎo)的奧秘。

“我們能做的事情太多了?！备鐐惐葋喆髮W(xué)物理系助理教授科里·迪安說(shuō)道，“我眼下都要被機(jī)會(huì)淹沒(méi)了?！?/p>

過(guò)去幾年，這位助理教授一直致力研究，如何在保存石墨烯所有優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)產(chǎn)生帶隙-電子開(kāi)關(guān)。這是因?yàn)?，石墨烯的無(wú)帶隙結(jié)構(gòu)既使其具備超常導(dǎo)電性，又帶來(lái)棘手的應(yīng)用問(wèn)題——因?yàn)闊o(wú)帶隙，電子一旦開(kāi)動(dòng)就像泄洪一般無(wú)法控制“開(kāi)與閉”。

眼下，石墨烯的商業(yè)化應(yīng)用已經(jīng)落地。像智能手機(jī)制造商紛紛為新產(chǎn)品加持石墨烯。

國(guó)內(nèi)已有手機(jī)，首次應(yīng)用石墨烯散熱，等效導(dǎo)熱能力是純銅膜的2.8倍;發(fā)布不久的一款國(guó)產(chǎn)手機(jī)內(nèi)置石墨烯電池，16分鐘即可充滿;而三星手機(jī)預(yù)計(jì)在2019年發(fā)布的Note 10中使用石墨烯電池。

曹原的研究成果，能進(jìn)一步提速石墨烯在消費(fèi)電子領(lǐng)域的應(yīng)用。而在一個(gè)月前，德國(guó)最大科學(xué)研究機(jī)構(gòu)亥姆霍茲聯(lián)合會(huì)下屬材料與能源研究部門宣布，稱已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一種適用于大規(guī)模生產(chǎn)雙層石墨烯的工藝方法。