曹原 石墨烯的駕馭者

梁偉

2018年12月18日，世界頂尖學術期刊英國《自然》雜志發布了“2018年度科學人物”，讓人意外的是，位居榜首的居然是1996年出生、在美國麻省理工學院攻讀博士的中國留學生曹原。每年《自然》年度十大人物的封面圖片都是一個巨大的數字“10”，具體樣式和底紋都會融入當年的科技熱點進行設計，而這期封面圖片明顯指向曹原的成果。數字“10”中的“0”被處理成一個正六邊形，宛如構成石墨烯的碳環結構，整個數字“10”則點出了賦予石墨烯超導能力的“魔角”。

未滿23歲的曹原被《自然》雜志稱為“石墨烯的駕馭者”，他發現了使石墨烯能夠在沒有電阻的情況下導電的方法，破解了困擾物理學界107年的世界難題。可以說，這一發現開創了一個新的領域，該方法將會使能源的使用和運輸更為有效。

“仰望星空能讓我安靜下來”

曹原喜歡仰望星空。他說：“仰望星空能讓我安靜下來。”

曹原的世界一直都是安靜的，卻又是不平靜的，甚至可以說是波瀾壯闊的。他一直是很多人口中那個“別人家的孩子”，因為太過優秀。

2007年，曹原成為深圳耀華實驗學校的學生，連當年的老師都沒有想到，會遇到自己執教生涯最特殊的一個孩子，這個孩子僅僅用了三年時間就讀完了小學六年級、初中和高中的全部課程。

“曹原是六年級來到耀華的，在我的印象中，他智力超群，學習力很強。”曹原當年的班主任、耀華實驗學校副校長肖甜表示。“上學的時候，他已經展示出了過人的靈氣和天賦。善于思考，勤于動手，我們發現了他這個特點，著重在動手能力培養方面給他創造條件。而他的家長也不惜一切代價，給他創造條件——支持曹原在家里搭了一個小實驗室，還購置了一批化學、物理的實驗儀器。學校為了滿足他的好奇心，提供超過教學大綱的實驗條件。”

對于這樣的評價，曹原的中學物理老師黃佳堂表示贊同：“那時他特別小，也很淘氣。他會把教室的講臺或桌子拆出來，就為了看里面是什么構造，我們也不知道沒有工具的他是怎么做到的。”“拆東西”這個習慣也延續伴隨著曹原到了現在，《自然》雜志稱，曹原在麻省理工的導師也認為他的內心深處是個“修補匠”，喜歡把東西拆開重裝，每次進入他的辦公室，里面都亂糟糟的，桌上堆滿了計算機和自制望遠鏡的零件。

黃佳堂回憶，在課堂上，他曾為曹原他們講過，金屬的電阻率隨溫度的降低而減小，當溫度降低到很低的時候就沒有電阻了，這種狀態叫超導狀態。但基于目前的技術，要在負160攝氏度才行。這個問題是物理界的難題，如果能在常溫下發現這種材料，就可能顛覆世界。當時，曹原還和同學商量以后問老師：“怎么樣才能使常溫下的材料電阻為零？改變材料性質的方法行不行？”黃佳堂當時的回答是：“這需要你們去研究，如果你們研究出來，那就很有可能改變世界！”

而這個問題，也成為黃佳堂的常備問題，對于每一屆學生，他都會提出來，而現在，他的學生曹原已經給了答案。“沒想到曹原真的在這個領域做出了深入的研究，有了現在的成果，太不可思議了，我為他感到驕傲！”黃佳堂說。

“我們還有很多事情要做”

2010年，曹原以高分考入了中國科學技術大學少年班，那一年，他只有14歲。四年后，他從中國科學技術大學獲得了本科學位，前往美國攻讀博士。此后，曹原再接再厲，先后發表了兩篇關于原子厚度碳片層奇異行為的論文，開啟了物理學的一個全新領域。曹原承認自己的情況有別于常人，但是說自己并不特殊，畢竟他還是用四年時間讀完大學本科，“我只是跳過了中學里一些無趣的部分”。

2014年，曹原加入了Pablo Jar i l loHerrero在麻省理工學院的團隊，該團隊當時已經開始進行將碳片層堆疊和旋轉至不同角度的嘗試。曹原的主要工作是考察在堆疊的雙層石墨烯中，如果將其中一層相對另一層旋轉極小的角度后會發生什么。根據一種理論預測，這種扭曲會極大地改變石墨烯的行為，但許多物理學家對此持懷疑態度。曹原決心創造出這種以微妙角度扭曲的雙層石墨烯，并發現了一些奇異的現象。對石墨烯施加微弱的電場并冷卻至絕對零度以上1.7度時，會讓能導電的石墨烯變成絕緣體。這一發現本身不可謂不令人驚訝。

曹原說：“我們已經料到這會對整個領域帶來巨大影響。但更好的消息還在后面：只需稍微調整一下電場，扭曲的雙層石墨烯就能成為一個超導體，讓電子實現零電阻流動。”他們在第二個樣本中觀察到了同樣的現象，最終確認了自己親眼所見的事實。

通過簡單的旋轉就能讓原子厚度的碳材料產生復雜的電子態，這一研究成果讓物理學家爭相對其它扭曲二維材料的奇異行為進行實驗。一些物理學家甚至希望石墨烯能夠闡明復雜材料為何會在更高的溫度下成為超導體。哥倫比亞大學物理學家Cory Dean表示：“我們接下來可以做的事情太多了，眼前的機會巨大。”成功將平行的雙層石墨烯扭曲至約1.1°的“魔角”需要一些試錯，但曹原很快就掌握了可靠的方法。Jarillo-Herrero認為曹原的實驗技巧至關重要。

曹原原創的方法先將單層石墨烯撕裂，組成方向相同的雙層石墨烯，并在此基礎上進行微調校準。曹原還通過調整低溫系統，達到了能讓超導態更為顯著的溫度。

2018年3月5日，《自然》發表了兩篇以曹原為第一作者的石墨烯重磅論文。曹原發現當兩層平行石墨烯堆成約1.1°的微妙角度，就會產生神奇的超導效應，而他也成為以第一作者身份在該雜志上發表論文的最年輕的中國學者。有科學家指出，曹原這組重磅論文的發表，可能預示著改變人類生活的重大發現。

今天的曹原雖然還很年輕，略帶羞澀，但在他的同事眼中，曹原的堅持不懈體現了他的成熟。雖然以微弱差距錯過麻省理工的物理學研究生項目，但曹原想辦法通過電氣工程系加入了Jarillo-Herrero的團隊來學習這一課程。另外，曹原對博士生涯的出師不利也并沒有過多在意：他發現6個月費心解讀的看似激動人心的數據其實只是實驗裝置造成的巧合。Jarillo-Herrero說：“他不大高興，但他只是擼起袖子繼續干。”

“90后”的曹原對自己未來的職業道路還不確定，他說：“在魔角石墨烯上，我們還有很多事情要做。”曹原本科時的指導老師、中科大物理學家曾長淦表示，全球各大高校已經在用博士后職位，甚至是教職崗位來吸引他，“在中國的凝聚態物理學家中，每個人都知道他的名字”。

年度科學人物中的中國面孔

在學術界享有盛譽的國際綜合性科學周刊《自然》每年年末都會評出年度科學人物，榜單上，入選人士都是過去一年里在全球科學界最具影響力的人物。這些不同領域的科學家在當年的科學史上留下了不可磨滅的印記。

2012 王俊

王俊曾領導的華大基因是世界上最大的基因測序公司。1999年，華大基因支持了人類基因組計劃的1%，而到2012年底，華大基因的測序數據產出能力占全球一半以上。華大基因致力于用基因科技造福人類。

2013 陳化蘭

2013年，中國發現了人類感染H7N9禽流感病毒病例。中國國家禽流感參考實驗室主任陳化蘭及其團隊沖在遏制禽流感病毒疫情爆發的第一線，并投入到對H7N9禽流感的研究之中，幫助中國平息H7N9禽流感疫情。

2017 潘建偉

依托中國發射的“墨子號”量子科學實驗衛星，潘建偉團隊2017年實現多項世界領先的量子通信技術突破，通過衛星和地面站之間的量子密鑰分發，實現星地量子保密通信，并通過衛星中轉實現可覆蓋全球的量子保密通信。