曹原 石墨烯的駕馭者

梁偉

2018年12月18日，世界頂尖學(xué)術(shù)期刊英國《自然》雜志發(fā)布了“2018年度科學(xué)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(xué)院攻讀博士的中國留學(xué)生曹原。他被《自然》雜志稱為“石墨烯的駕馭者”，他發(fā)現(xiàn)了使石墨烯能夠在沒有電阻的情況下導(dǎo)電的方法，破解了困擾物理學(xué)界107年的世界難題。可以說，這一發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了一個(gè)新的領(lǐng)域，該方法將會(huì)使能源的使用和運(yùn)輸更為有效。

2010年，曹原以高分考入了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班，那一年，他只有14歲。四年后，他從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲得了本科學(xué)位，前往美國攻讀博士。此后，曹原再接再厲，先后發(fā)表了兩篇關(guān)于原子厚度碳片層奇異行為的論文，開啟了物理學(xué)的一個(gè)全新領(lǐng)域。

2014年，曹原加入了Pablo Jarillo-Herrero在麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)當(dāng)時(shí)已經(jīng)開始進(jìn)行將碳片層堆疊和旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)極小的角度后會(huì)發(fā)生什么。根據(jù)一種理論預(yù)測，這種扭曲會(huì)極大地改變石墨烯的行為，但許多物理學(xué)家對此持懷疑態(tài)度。曹原決心創(chuàng)造出這種以微妙角度扭曲的雙層石墨烯，并發(fā)現(xiàn)了一些奇異的現(xiàn)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(shí)，會(huì)讓能導(dǎo)電的石墨烯變成絕緣體。這一發(fā)現(xiàn)本身不可謂不令人驚訝。

曹原說：“我們已經(jīng)料到這會(huì)對整個(gè)領(lǐng)域帶來巨大影響。但更好的消息還在后面：只需稍微調(diào)整一下電場，扭曲的雙層石墨烯就能成為一個(gè)超導(dǎo)體，讓電子實(shí)現(xiàn)零電阻流動(dòng)。”他們在第二個(gè)樣本中觀察到了同樣的現(xiàn)象，最終確認(rèn)了自己親眼所見的事實(shí)。

通過簡單的旋轉(zhuǎn)就能讓原子厚度的碳材料產(chǎn)生復(fù)雜的電子態(tài)，這一研究成果讓物理學(xué)家爭相對其它扭曲二維材料的奇異行為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。一些物理學(xué)家甚至希望石墨烯能夠闡明復(fù)雜材料為何會(huì)在更高的溫度下成為超導(dǎo)體。哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)家Cory Dean表示：“我們接下來可以做的事情太多了，眼前的機(jī)會(huì)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(cuò)，但曹原很快就掌握了可靠的方法。Jarillo-Herrero認(rèn)為曹原的實(shí)驗(yàn)技巧至關(guān)重要。

曹原原創(chuàng)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(chǔ)上進(jìn)行微調(diào)校準(zhǔn)。曹原還通過調(diào)整低溫系統(tǒng)，達(dá)到了能讓超導(dǎo)態(tài)更為顯著的溫度。

2018年3月5日，《自然》雜志發(fā)表了兩篇以曹原為第一作者的石墨烯重磅論文。曹原發(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)，而他也成為以第一作者身份在該雜志上發(fā)表論文的最年輕的中國學(xué)者。有科學(xué)家指出，他這組重磅論文的發(fā)表，可能預(yù)示著改變?nèi)祟惿畹闹卮蟀l(fā)現(xiàn)。

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(jiān)持不懈體現(xiàn)了他的成熟。曹原現(xiàn)在23歲了，但他對自己未來的職業(yè)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(shí)的指導(dǎo)老師、物理學(xué)家曾長淦表示，全球各大高校已經(jīng)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(tài)物理學(xué)家中，每個(gè)人都知道他的名字”。