裘雪瓊

2018年12月19日，世界頂尖學術期刊、英國《自然》雜志公布了2018年度影響世界的十大科學人物。

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

他發(fā)現(xiàn)，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。這一轟動國際學界的新發(fā)現(xiàn)，直接開辟了凝聚態(tài)物理的一塊新領域。如今，許多學者正在試圖復制、拓展他的研究。

高考669分進入少年班

每年《自然》的十大人物的封面圖片都是一個巨型數(shù)字“10”，但具體樣式和底紋都會結合當年的科技熱點來設計。

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

曹原是那種天才少年。他1996年出生于成都，14歲時從深圳耀華實驗學校考入中國科學技術大學少年班學院，并入選“嚴濟慈物理英才班”。

天才往往接受“超常教育”，曹原也不例外。有媒體報到，他于2007年就讀深圳耀華實驗學校時，用3年時間讀完小學六年級、初中和高中的課程，高考總分為理科669分。對此，他輕描淡寫，“我只是跳過了中學里面一些無聊的東西?！?/p>

2010年考入強手如林的中國科技大學少年班學院后，曹原如魚得水。

2012年，他作為中科大派出的首批交流生，前往美國密歇根大學游學;次年6月，他獲得中科大“頂尖海外交流獎學金”，同時被牛津大學選中，受邀開展為期兩個月的科研實踐。

2014年，曹原本科畢業(yè)，榮獲中國科技大學本科生最高榮譽郭沫若獎學金，并前往美國麻省理工大學攻讀博士學位。入選《自然》十大科學人物后，一位與曹原熟悉的少年班畢業(yè)生如此感嘆：“他實在是太強了，在科大是傳說級的人物?！?h3>石墨烯零阻力傳輸電子

曹原與麻省理工學院的物理學研究生項目失之交臂，但他通過電氣工程與計算機科學系進入了Jarillo-Herrero的課題組，實現(xiàn)繼續(xù)做物理研究的心愿。

博士開局階段，他遭逢過失望。當時，他花了6個月時間研究一份似乎令人激動的數(shù)據(jù)，但最終發(fā)現(xiàn)那僅僅是實驗設置中的巧合。那會兒，課題組已經(jīng)開始用不同的角度堆疊、旋轉碳原子層了。曹原的研究內(nèi)容為，當壘在一起的兩層石墨烯彼此間輕微偏轉時會發(fā)生什么。按照理論預測，輕微的偏轉就會讓材料行為產(chǎn)生劇變，但有許多物理學家對此心存懷疑。

曹原著手搭成微妙偏轉的石墨烯層后，有了兩個神奇的發(fā)現(xiàn)：當被置于一個小型電場，且溫度降到絕對零度（-273℃）以上1.7℃時，能導電的石墨烯成了絕緣體;但稍微調(diào)整一下電場，偏轉的石墨烯層就變成了超導體，電流可無阻流動。當?shù)诙€樣本中觀察到同樣的現(xiàn)象后，實驗組相信這是真的。

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

理論轉為實際操做并非易事。7個多月的反復實驗過程中，他夜以繼日地守在實驗室，克服樣品無法承受高熱、機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“超導電實驗”。

重磅消息引爆了全球，世界頂級學術期刊《自然》在一天之內(nèi)連續(xù)刊登了兩篇他的關于石墨烯超導的論文。一個有意思的細節(jié)是，拿到這篇研究論文時，《自然》甚至都等不及排版，先行在其網(wǎng)站上刊出文章，并配以第三篇文章做為評述。

尋找超導體材料的107年

眾所周知，從發(fā)電站到用戶端的傳送過程中，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，荷蘭物理學家?？恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯發(fā)現(xiàn)，當汞被冷卻至接近（-273℃）時，電子可以通行無“阻”，從而將能源損耗降到最低。這個“零電阻狀態(tài)”被稱為“超導電性”，這是人類第一次發(fā)現(xiàn)超導體的存在，而昂內(nèi)斯因此獲得了諾貝爾獎。

可是超導體要在接近絕對零度（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、無法投入大規(guī)模應用。

此后，全世界的科學家嘗試各種試驗，想要找到一種“低成本超導材料”。

十多年前，科學界首次發(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、最薄的材料，并且是極優(yōu)秀的電導體。石墨烯的獨特之處在于，其結構中碳原子以六元環(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，相較于其他導體大大節(jié)省了導電過程中被損耗的能量。

曹原及其團隊的科研成果，用簡單的方式實現(xiàn)石墨烯從絕緣體到超導體的轉變，打開了一扇非常規(guī)超導體研究的大門。他們的這一發(fā)現(xiàn)，被科學界視為破解了困擾全世界物理學界107年的世界難題。

如今，全球物理學家都迫不及待地試圖在其他扭轉的二維材料上創(chuàng)造出像曹原團隊那樣激動人心的實驗。一些研究者甚至希望石墨烯可以揭開復雜材料高溫超導的奧秘。

石墨烯

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

國內(nèi)已有手機，首次應用石墨烯散熱，等效導熱能力是純銅膜的2.8倍;發(fā)布不久的一款國產(chǎn)手機內(nèi)置石墨烯電池，16分鐘即可充滿;而三星手機預計在2019年發(fā)布的Note 10中使用石墨烯電池。

曹原的研究成果，能進一步提速石墨烯在消費電子領域的應用。而在不久前，德國最大科學研究機構亥姆霍茲聯(lián)合會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。

（張敏薦自《博客天下》）