震驚世界的中國最年輕科學家

佚名

他，叫曹原！一個外表普普通通的年輕人，一個震驚世界的年輕科學家！

2018年底，世界頂尖學術(shù)期刊《自然》雜志發(fā)布了2018年度影響世界的十大科學人物榜單，位居榜首的是1996年出生的中國學生曹原。

他是該雜志創(chuàng)辦149年來，獲此殊榮年齡最小的科學家，也是中國最年輕在該雜志以第一作者刊登學術(shù)論文的科研工作者。他的科研成果攻克了困擾全球物理學界100多年的世界超導物理學難題，震驚全世界！

如今，數(shù)百位世界級學者正在試圖復制、拓展他的科研成果。一旦成果落地，將為世界能源行業(yè)節(jié)省數(shù)千億美元的資金。

每年《自然》雜志十大人物的封面圖片都是一個巨大的數(shù)字“10”，具體樣式和底紋都會融入當年的科技熱點進行設計，2018年的封面圖片明顯指向曹原的成果。數(shù)字“10”中的“0”被處理成一個正六邊形，宛如構(gòu)成石墨烯的碳環(huán)結(jié)構(gòu)，整個數(shù)字“10”則點出了賦予石墨烯超導能力的"魔角"。很顯然，在《自然》看來，曹原及其團隊的研究成果具有很高的科學價值。

為什么向來以“嚴苛”著名的《自然》期刊，會對這位年輕的學者如此青睞有加？2018年3月5日，《自然》發(fā)表了兩篇以曹原為第一作者的重磅論文，《自然》雜志在論述曹原入選年度人物的理由時表示：“在他的論文當中，他發(fā)現(xiàn)了當兩層平行石墨烯堆成約1.1°的微妙角度，就會產(chǎn)生神奇的超導效應。這一發(fā)現(xiàn)轟動國際學界，直接開辟了凝聚態(tài)物理的一塊新領域，讓無數(shù)科學家展開研究探索?！蔽锢斫缯J為，曹原此舉解決了困擾世界物理學家107年的難題，取得了石墨烯超導領域的重大突破。

值得一提的是，英國物理學會主辦的《物理世界》雜志近期也公布了由其評出的“2018年十大突破”，曹原及其團隊的這一研究依然位居榜首，被認為在量子計算等領域有巨大應用潛力?！段锢硎澜纭冯s志發(fā)布的公報認為，這種“魔角”石墨烯體系的發(fā)現(xiàn)，開創(chuàng)了“轉(zhuǎn)角電子學”這一全新領域。

什么是石墨烯超導？

據(jù)Nature官方介紹：在我們現(xiàn)實世界中，時刻都會有“導體”的存在，沒有導體，我們可能連手機也充不了。但即便是很好的“導體”在“超導體”的面前，仍舊是效率低下的。電流在“導體”中穿梭時會消耗大量的熱，且速度也會減弱。但“超導體”不一樣，它可以節(jié)省更多能源。尤其是像磁懸浮列車和一些大型供電系統(tǒng)，如果能選用“超導體”材料，那么能源消耗能減少到最低。

可是，“超導體”有一個非常局限的地方，就是它對溫度有嚴格的要求。一些材料只能在大約攝氏負269度（華氏負452.2度）下才能變成超導，使用這種材料是非常昂貴的，而且完全不實際。

在曹原的研究中，石墨烯有可能成為“超導體”，這就意味著，它可以讓電子來回快速穿梭，而讓電阻無限趨近于零。速度之快，效率之高，非常罕見。

雖然在以前，也有很多科學家對“石墨烯”材料產(chǎn)生過類似想法，但是實驗效果并不好。直到2018年3月，這位來自中國的22歲少年曹原，成功實現(xiàn)了石墨烯“超導實驗”，解決了困擾人類107年的世紀難題。

1996年，曹原出生在素有天府之國美稱的成都，三歲時隨父母舉家搬遷到深圳。90年代的深圳，有三多：錢多、商人多、電子產(chǎn)品多。成長于深圳濃烈電子氛圍中的曹原自打記事起，就對鋪滿各種元件和線路的電子產(chǎn)品產(chǎn)生了極大的興趣，當時他最喜歡做的事便是從電子市場淘一大堆物件回來拆了裝，裝了又拆，拆裝難不倒他后，他又去研究里面的電子線路，正因為曹原從小對電子產(chǎn)品的興趣為他日后改寫世界科學進程埋下深深的伏筆。

2007年9月，11歲的曹原因為異于常人的天賦，被選拔進入耀華實驗學校。深圳耀華實驗學校可不是一般的中學，而是以“超常教育”聞名廣東全省，簡單來說它就是一所專門培養(yǎng)“天才少年”的學校。在深圳耀華，老師們經(jīng)常用這么一句話來教育孩子：不好好念書，你們只能考本地的深大！深圳大學，廣東八所頂級大學之一，騰訊創(chuàng)始人馬化騰的母校，但在耀華老師的眼里它只是差生才會讀的大學，對于耀華人而言清華北大才是他們的初級目標，而更高級的目標，是諸如麻省理工、牛津、斯坦福這樣世界頂尖大學。雖然耀華中學的學生個個都是人中龍鳳，但身材瘦小、其貌不揚的曹原仍然以高超的知識理論鶴立群雄。

課堂上，曹原的學習速度遠遠超過其他同學，無論什么課程都是一聽就懂，而且，他對課本知識的理解程度往往超過了教學大綱的要求。在課堂之外，這名小學生也有著和其他同齡孩子不同的愛好——他不玩游戲，不追歌星，反而喜歡動手做實驗，拆卸、安裝一些電子元件。為了鍛煉自己的動手能力，曹原甚至在家里搭建了一個自己的實驗室。

曹原的學習天賦得到了學校的重視。學校組建了最優(yōu)秀的教師團隊，免除了一切學費，對曹原進行“超常教育”。就這樣，曹原的探究精神在耀華得到“加倍呵護”。他用三年的時間完成了小學六年級、初中和高中的課程。2010年，14歲的曹原提前參加高考，以669分的高考成績考入蜚聲中外的中國科學技術(shù)大學少年班學院，并入選“嚴濟慈物理英才班”。面對外界驚訝的目光，曹原卻不屑一顧地表示，自己只是跳過了中學里一些無聊的東西。

中科大少年班創(chuàng)立于1978年，可以說是中國實力最強的“超常班”，用軍事術(shù)語來說，就是特種部隊中的特種部隊！能進這個少年班學習的人都是經(jīng)歷過一輪又一輪慘烈的廝殺最后才留下了精英中的精英。40年的時間里，這里總共畢業(yè)1070名學生，其中有多位后來成長為享譽世界的科學家。不過，在這樣的地方，曹原的光芒并沒有被周圍優(yōu)異的同學所掩蓋，他依舊卓爾不群。別人要用一整年完成的科研項目，曹原短短一個寒假就能完成，被評價為“天才中的天才”。

大二時，曹原主動找上曾長淦教授，希望能來到他的實驗室學習。曾長淦實驗室以實驗物理研究為主，曹原在他的指導下進行石墨烯超晶格等離激元的理論研究。2012年，曹原作為中科院首批國際交流生曹原被派往美國頂級研究型大學——密歇根大學學習;2013年，曹原獲得中科大“頂尖海外交流獎學金”同年，他被英國頂級研究型大學牛津大學選中，受邀前往倫敦做為期兩個月的科學實驗;2014年，曹原再次獲得中科大最高榮譽獎——郭沫若獎學金！為了繼續(xù)深造，曹原前往美國著名的麻省理工學院攻讀博士學位。

在麻省理工學院，曹原加入了帕布洛·賈里洛·赫雷羅領導的研究團隊。四年時間里，曹原一直在潛心研究石墨烯的超導性。石墨烯是一種由單層碳原子以六角形的晶格構(gòu)成的二維薄膜，它是人類可以制作的最薄的納米材料，具有非常神奇的物理性質(zhì)。迄今為止，物理學家已經(jīng)充分研究了石墨烯的高導熱性、高透光性、高硬度和高韌性，這些性質(zhì)也已經(jīng)不同程度地得到了應用，但唯獨石墨烯的超導性質(zhì)遲遲未能實現(xiàn)。所以，世界上許多科研團隊都在潛心研究石墨烯的超導電性，帕布洛·賈里洛·赫雷羅領導的研究團隊便是其中之一。

眾所周知，自第二次工業(yè)革命以來，電力就成為人類社會不可或缺的次級能源。工業(yè)生產(chǎn)需要用電，居家生活需要用電，戰(zhàn)爭機器需要用電，交通設備需要用電，沒有電，人類社會至少倒退三百年?。ǔ跫壞茉词侵歌F礦石、石油、橡膠這樣自然生成的能源;次級能源則是指鋼鐵、電力這種需要人工二次合成的能源）然而，電力在發(fā)電站傳輸?shù)浇K端用戶的過程中，電能會隨著傳輸距離的加長而不斷衰減。為了保證電能的穩(wěn)定性，發(fā)電站只有通過燃燒更多的能源解決損耗問題。面積狹小的國家還好說，但國土面積大的國家就非常燒錢了。美國為什么停電事故頻發(fā)？因為美國沒有一張全國性電網(wǎng)，而其原因主要有兩點：一是資本家對電力供應進行劃區(qū)域壟斷，二是美國國土面積太大，建立一張全國性電網(wǎng)所需的能源消耗任何人都承擔不起。中國雖然用特高壓輸電技術(shù)解決了全國一張網(wǎng)的問題，但電能供應對初級能源的消耗，依舊非常驚人。

自19世紀電力發(fā)明以來，為了解決在傳輸中的損耗問題，無數(shù)應用型物理學家付出了巨大的心血。終于，在1911年，荷蘭物理學家海克·卡莫林·昂內(nèi)斯有了重大發(fā)現(xiàn)。經(jīng)過無數(shù)次實驗，卡莫林最終確認：汞在溫度接近0K的極限值，也就是-273℃時，流通的電子會無限接近于“無阻”通行，其在傳輸中對能源的消耗最低，可以降至零。卡莫林把這個“零電阻狀態(tài)”稱之為“超導電性”。作為人類史上第一個發(fā)現(xiàn)超導體存在的科學家，卡莫林于1913年被授予諾貝爾獎。

雖然證明了超導體對控制電力損耗的有效性，但問題是能在-273℃環(huán)境下實現(xiàn)電力零損耗傳輸?shù)牟牧?，幾乎沒有。為什么說“幾乎”？因為有這種材料但冷卻成本比發(fā)電成本還高，沒有任何市場價值，而一種無法投入市場使用的材料，根本不能產(chǎn)生經(jīng)濟效益。換言之，這種材料沒有任何作用。但科學家們并不死心，為了尋找這種“低冷卻成本”的超導材料，他們極盡瘋狂，終于，在1980年，歐洲物理學家發(fā)現(xiàn)銅氧化材料，最低溫度可以達到-140℃。但由于排列結(jié)構(gòu)難以調(diào)整無法進一步降溫，這剩下的133℃就像是一道天塹橫亙在所有物理學家的實驗室中，縱算他們窮盡畢生余力，也無法解開銅氧化超導的秘密。

此后的整整三十年里，物理學家們一直徘徊在解開銅氧化超導研究的黑暗中。這三十年，又被科學家們稱之為“電力物理界的黑暗時代”。有人妄言：按照當前的技術(shù)水平能實現(xiàn)卡莫林超導電性的材料，再過五十年都研究不出來！看著那133℃的差距，那種發(fā)自內(nèi)心的絕望讓很多物理學家飽受煎熬。然而，誰也沒有想到，曹原，這位來自中國年僅23歲的“準博士學生”竟然在黑暗時代點燃了星星之火。

2017年，在曹原攻讀麻省理工博士期間，他通過實驗發(fā)現(xiàn)石墨烯的排列結(jié)構(gòu)中具有非規(guī)超導電性的因子，他據(jù)此推測出：當兩層石墨烯疊在一起發(fā)生輕微偏移的時候，材料的特性會發(fā)生劇變，并因此催生出超導體的性能。

然而，當時諸多物理科學家對這個結(jié)論非常嗤之以鼻，他們想當然的認為，無數(shù)頂級前輩歷經(jīng)107年都不曾解決的難題，怎么可能被這么一個名不見經(jīng)傳的中國學生解決，更何況他才23歲？在那些大師輩出的時代，23歲他們還在給導師打下手呢！

面對種種質(zhì)疑聲，曹原并沒有做出任何回應，實踐才是檢驗真理的唯一標準，他要用成果證明自己。理論轉(zhuǎn)換為實驗的過程中曹原遭遇了種種困難，在經(jīng)歷了一次又一次失敗后，曹原依舊信心滿滿的說：實驗失敗是家常便飯，心態(tài)平和地對待失敗就沒什么壓力，還有成功的希望。

在不知道經(jīng)歷過多少失敗與日夜不眠之后，終于，奇跡女神眷顧了他。當他把兩層石墨烯材料旋轉(zhuǎn)到特定疊加值時，即旋轉(zhuǎn)到特定的“魔法角度”（1.1°）疊加時，超導體誕生了！雖然成功讓他欣喜若狂但他并沒有被勝利沖昏頭腦曹原深知，在理論儲備異常嚴苛的科學界成功一次或許是偶然你必須具備足夠充分的理論水平才能證明它的有效性于是，他又經(jīng)過六個多月的反復試驗最終確立起石墨烯傳導的全方位理論！

2018年3月5日，曹原把論文投給世界頂級科學雜志《自然》，收到曹原的投稿后《自然》編輯部一片嘩然，連版都沒來得及排就在一天之內(nèi)連續(xù)刊登了兩篇曹原關(guān)于石墨烯超導理論的論文。3月6日，全球科學界四方雷動，無人不為曹原的論文倍感震撼。一位哥倫比亞大學物理教授驚呼：曹原為我們打開了新世界的大門，我們能做的太多了！自卡莫林發(fā)現(xiàn)超導體107年后，自歐洲銅氧化材料止步37年后，曹原，這個名不見經(jīng)傳的學生以一己之力扭轉(zhuǎn)乾坤，為電力物理學界在黑暗時代點燃了一把可以燎原的星星之火！

一朝成名，天下雷動。在數(shù)據(jù)確鑿的論文面前，所有人都無視了曹原23歲的年齡，從美國到歐洲，無數(shù)頂級大學和科研機構(gòu)向他拋出橄欖枝，如果曹原愿意，他可以成為麻省最年輕的教授，或者歐洲科學研究院最年輕的學者，但他對這一切都不屑一顧，3月8日，關(guān)于石墨烯超導論文轟動世界的第三天，曹原回到中科大。這一天，是中科大少年班成立40周年紀念日，曹原將這份舉世無雙的研究成果當作壽禮，以慶祝少年40大壽！那天，滿身霞光的曹原說了一句平淡的話：我是一個中國人，我學成以后要回到中國去。

目前，曹原仍在美國深造，繼續(xù)著自己的科學夢。他說“要做的事情還有很多”。

（來源：網(wǎng)絡組稿）

（：世紀人物 2019年06期）