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22歲在讀博士生發(fā)現(xiàn)石墨烯“魔角”,榮登Nature全球十大科學人物榜首

放大字體??縮小字體 發(fā)布日期:2018-12-26
核心提示:北京時間12月19日零時,頂尖學術(shù)期刊、英國《自然》雜志(Nature)發(fā)布了2018年度影響世界的十大科學人物。22歲的天才少年、麻省理工學院在讀博士生曹原名列榜單首位。
       北京時間12月19日零時,頂尖學術(shù)期刊、英國《自然》雜志(Nature)發(fā)布了2018年度影響世界的十大科學人物。22歲的天才少年、麻省理工學院在讀博士生曹原名列榜單首位。



     

    2018年3月5日,《自然》連續(xù)刊發(fā)兩篇以曹原為第一作者的石墨烯重磅論文,這是在《自然》上以第一作者身份發(fā)表論文的最年輕中國學者。這位中科大少年班的畢業(yè)生、美國麻省理工學院的博士生發(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。


    《自然》周刊稱曹原為“石墨烯駕馭者”,他發(fā)現(xiàn)了讓石墨烯實現(xiàn)超導的方法,開創(chuàng)了物理學一個全新的研究領(lǐng)域,有望最終實現(xiàn)能源利用率與能源運輸效率的提高。


    曹原于1996年出生于成都,后隨父母遷入深圳,2007年就讀于深圳耀華實驗學校,僅用三年時間就讀完了小學六年級、初中和高中課程。2010年,他以高考理科總分669分的成績,考入中科大少年班。


    18歲時,他在合肥完成了中國科技大學的本科學位,并榮獲中國科技大學郭沫若獎學金,隨后赴美讀博。曹原稱自己并不特別,大學還是讀滿了4年,只是跳過了中學階段的一些“無聊的東西”。


    2014年,曹原加入美國麻省理工學院Pablo Jarillo-Herrero課題組。當時實驗室正在嘗試用不同的角度堆疊、旋轉(zhuǎn)碳原子層,曹原負責的工作是研究壘在一起的兩層石墨烯彼此間輕微角度偏轉(zhuǎn)會發(fā)生什么現(xiàn)象。


    按照理論預測,輕微的偏轉(zhuǎn)就會讓材料屬性產(chǎn)生劇變,然而還沒有人能夠證實,所以許多物理學家對此心存懷疑。


    曹原搭成微妙偏轉(zhuǎn)的石墨烯層后,他發(fā)現(xiàn)當把材料置于一個小型電場,且溫度降至絕對零度以上1.7度時,可以導電的石墨烯竟然變成了絕緣體,這個發(fā)現(xiàn)非常令人吃驚。


    然而,更好的還在后面。曹原稍微調(diào)整一下電場,偏轉(zhuǎn)的石墨烯層就變成了超導體,電流無阻穿過。進行重復試驗后,得到了同樣的現(xiàn)象,曹原的發(fā)現(xiàn)被確認。


    把平行的兩層石墨烯旋轉(zhuǎn)成約1.1°的“魔角”并不容易,需要很多試錯,但曹原很快就能操作成功。“他的實驗技巧至關(guān)重要”,他的導師Jarillo-Herrero說道。


    曹原開創(chuàng)了一種撕出單層石墨烯的方法,以制出具有相同角度的雙層堆疊,并能微調(diào)校準。他還通過調(diào)整到低溫,使超導性得以更清晰地顯現(xiàn)。


    曹原動手能力超強,總喜歡把東西拆開再重裝。他會用自制的照相機和望遠鏡拍攝夜空,享受自己的時光,相關(guān)的零件撒滿了他的辦公室。Jarillo-Herrero說:“他是個“修補匠”,每次我走進去,里面都亂糟糟的,計算機被拆開了,桌上滿是望遠鏡零件。”


    曹原年輕又靦腆,但實驗室的同事們認為曹原的成熟表現(xiàn)在了堅持不懈上。比如曹原曾與麻省理工學院的物理學研究生項目失之交臂,但他沒有放棄,另辟新徑通過電氣工程項目進入了Jarillo-Herrero的課題組,堅持繼續(xù)做物理。


    在博士開局階段,曹原曾花了六個月時間研究出了一份看似令人激動的數(shù)據(jù),但最終卻發(fā)現(xiàn)那只是實驗中的巧合,曹原也沒有氣餒。“他雖然不開心,但也只是卷起袖子繼續(xù)干了。”Jarillo-Herrero說道。


    每年《自然》十大人物的封面圖片都是一個巨大的數(shù)字“10”,只是具體樣式和底紋的設(shè)計會融入當年的科技熱點。如2016年的封面圖片形如漣漪,暗示當年最大的科學成果引力波的發(fā)現(xiàn)。被外界評為“人工智能元年”的2017年的封面圖片則融入了計算機代碼的元素。



    今年的封面圖片明顯指向曹原的發(fā)現(xiàn),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)。仔細看可以發(fā)現(xiàn),數(shù)字“10”都是由二層蜂窩狀的小正六邊形填涂而成,分別為紅色和藍色,兩層之間有微小的夾角,使得圖像出現(xiàn)了重影。這點出了賦予石墨烯超導能力的“魔角”。


    曹原的發(fā)現(xiàn)讓學界認識到簡單的旋轉(zhuǎn)就能讓碳原子薄膜進入復雜的電子態(tài),如今物理學家們都爭著要在其他扭轉(zhuǎn)的二維材料上尋找激動人心的發(fā)現(xiàn),希望通過石墨烯揭開復雜材料高溫超導的奧秘。哥倫比亞大學物理學家Cory Dean說:“這下我們能做的事情太多了,我都要被機會淹沒了。”


    今年22歲的曹原,尚不明確自己的科研生涯會走向何方。他表示,關(guān)于魔角石墨烯,我們還要做很多工作。


    然而,曹原在中科大的研究生導師、物理學家曾長淦表示,世界范圍的大學已經(jīng)對他青眼有加,不僅拋來博士后工作,還有教職。曾長淦說:“現(xiàn)在,中國的凝聚態(tài)物理學界,人人都知道了曹原的名字,中科大也樂讓他回來。不過曹原目前應該還是會留在美國,畢竟在那里,更容易看到璀璨群星。”

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