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。他被《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。

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。

2014年，曹原加入了Pablo Jarillo-Herrero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》雜志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，他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。曹原現在23歲了，但他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、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”。