世界頂尖學(xué)術(shù)期刊英國《自然》雜志12月18日發(fā)布了“2018年度十大人物”——《自然》每年遴選出的十位對(duì)科學(xué)界產(chǎn)生重大影響的人士。位居榜首的是1996年出生、在美國麻省理工學(xué)院攻讀博士的中國學(xué)生曹原。

曹原：石墨烯駕馭者

讓原子厚度碳片層成為超導(dǎo)體的博士研究生。

Credit: Corinna Kern for Nature

BY ELIZABETH GIBNEY

曹原的青少年時(shí)期異于常人。18歲時(shí)，他不僅已經(jīng)高中畢業(yè)，還從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)拿到了本科學(xué)位，并前往美國開始攻讀博士。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。曹原承認(rèn)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(shí)間讀完的大學(xué)本科：“我只是跳過了中學(xué)里一些無趣的部分。”

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(duì)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(cè)，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(duì)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(duì)石墨烯施加微弱的電場(chǎng)并冷卻至絕對(duì)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（Y. Cao et al. Nature 556, 80–84; 2018）。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(duì)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(chǎng)，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)（Y. Cao et al. Nature 556, 43–50; 2018）。他們?cè)诘诙€(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(zhēng)相對(duì)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。

曹原喜歡將東西拆了重裝。他的導(dǎo)師說，曹原本質(zhì)上是個(gè)“動(dòng)手達(dá)人”，他在工作之余會(huì)用自制相機(jī)和望遠(yuǎn)鏡拍攝夜空，這些作品在曹原的辦公室隨處可見。Jarillo-Herrero表示：“每次我走進(jìn)他的辦公室，他的臺(tái)子總是一團(tuán)亂，上面堆著拆得到處都是的計(jì)算機(jī)和望遠(yuǎn)鏡的各種零件。”

雖然曹原很年輕，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。雖然以微弱差距錯(cuò)過麻省理工的物理學(xué)研究生項(xiàng)目，但曹原想辦法通過電氣工程系加入了Jarillo-Herrero的團(tuán)隊(duì)來學(xué)習(xí)這一課程。另外，曹原對(duì)博士生涯的出師不利也并沒有過多在意：他發(fā)現(xiàn)6個(gè)月費(fèi)心解讀的看似激動(dòng)人心的數(shù)據(jù)其實(shí)只是實(shí)驗(yàn)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(xù)干。”

曹原現(xiàn)在22歲了，但他對(duì)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、中科大物理學(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。“他的名字在國內(nèi)凝聚態(tài)物理學(xué)界無人不曉。”曾教授說。學(xué)校很希望他能回來，但曾教授認(rèn)為曹原目前應(yīng)該待在美國，“那里更容易看到星星。”

節(jié)選自：Nature自然科研