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

曹原：石墨烯駕馭者

讓原子厚度碳片層成為超導體的博士研究生。

Credit: Corinna Kern for Nature

BY ELIZABETH GIBNEY

曹原的青少年時期異于常人。18歲時，他不僅已經高中畢業，還從中國科學技術大學拿到了本科學位，并前往美國開始攻讀博士。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。曹原承認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間讀完的大學本科：“我只是跳過了中學里一些無趣的部分。”

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（Y. Cao et al. Nature 556, 80–84; 2018）。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（Y. Cao et al. Nature 556, 43–50; 2018）。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。

曹原喜歡將東西拆了重裝。他的導師說，曹原本質上是個“動手達人”，他在工作之余會用自制相機和望遠鏡拍攝夜空，這些作品在曹原的辦公室隨處可見。Jarillo-Herrero表示：“每次我走進他的辦公室，他的臺子總是一團亂，上面堆著拆得到處都是的計算機和望遠鏡的各種零件。”

雖然曹原很年輕，略帶羞澀，但在他的同事眼中，曹原的堅持不懈體現了他的成熟。雖然以微弱差距錯過麻省理工的物理學研究生項目，但曹原想辦法通過電氣工程系加入了Jarillo-Herrero的團隊來學習這一課程。另外，曹原對博士生涯的出師不利也并沒有過多在意：他發現6個月費心解讀的看似激動人心的數據其實只是實驗裝置造成的巧合。Jarillo-Herrero說：“他不大高興，但他只是擼起袖子繼續干。”

曹原現在22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、中科大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。“他的名字在國內凝聚態物理學界無人不曉。”曾教授說。學校很希望他能回來，但曾教授認為曹原目前應該待在美國，“那里更容易看到星星。”

節選自：Nature自然科研