中国学生在麻省理工研究石墨烯超导获重大发现，登上《自然》

世界顶尖学术期刊英国《自然》杂志12月18日发布了2018年度科学人物，位居榜首的是1996年出生、在美国麻省理工学院攻读博士的中国学生曹原。

《自然》杂志18日发布了2018年度科学人物，位居榜首的是曹原（图片来源：《自然》网站报道截图）

早在2018年3月5日，国际顶尖期刊《自然》以背靠背的长文形式，在网站刊登了麻省理工学院Jarillo-Herrero教授课题组石墨烯超导的重大发现。此外，网站还专门配上了宾夕法尼亚大学教授EugeneJ.Mele对这一重大突破的评述。

特别值得关注的是，这两篇重磅论文的第一作者都是来自中国的21岁博士生曹原。

曹原，本科毕业于著名的中科大少年班，后赴美在麻省理工学院读博士生，现在，他又多了一重身份，那就是——在《自然》上以第一作者身份发表论文的最年轻中国学者。

今天，库叔就带你来了解一下这位少年英才的开挂人生，以及他做的研究有多厉害！

文|谢芳

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1

能在《自然》上发论文，到底有多厉害？

《自然》（Nature）

与《科学》（Science）、《细胞》（Cell）并称

世界三大顶级科学期刊。

其中，《自然》与《科学》

以报道科学世界中的重大发现、重要突破为使命，

是综合性期刊，

《细胞》则注重生命科学研究领域，

曾刊登过许多重大生命科学研究进展。

能够在三大期刊上发文，

是无数科学家孜孜以求的目标，

也是评选诺贝尔奖、竞选院士、

展示大学和科研机构研究实力的重要依据。

世界三大顶级科学期刊

不过，

单是《自然》高达90%的毙稿率，

就足以让人望而生畏。

从全球范围内来看，

有能力在三大期刊发表文章的，

要么是世界顶级实验室，

要么是世界顶级团队，

要么两者兼具。

这些顶级队伍的专家教授，

一边争分夺秒地做实验，

一边密切盯着竞争对手的动向，

打开电脑第一件事就是，

看三大期刊发表了哪些相关领域的论文，

如果没有新的，就可以松口气，

如果别人发表出来相关成果，

自己的研究差不多就前功尽弃了！

曾在《科学》发表论文、

后被普林斯顿大学聘为终身教授的颜宁，

有一句话叫“向死而生”，

描述的就是这种状况。

虽然近年来中国的科研实力突飞猛进，

在三大杂志上的发文数量也有所增加，

但对大多数专家学者而言，

在《自然》上发文章依然高不可攀。

每年在《自然》上的发表数量也不超过20篇。

库叔有位博士朋友更是直言：

一位学者如果在《自然》上发表一篇论文，

就可以在国内任何大学找到教职；

发表两篇，

就有资格入选“青年千人计划”，

或者在“211”、“985”大学获得正教授职位。

这丝毫不夸张。

作为我国结构生物学领军人物的施一公，

第一次在《自然》上发表论文

是在1999年，当时他32岁；

被称为我国“量子之父”的潘建伟院士，

27岁在《自然》上发表了第一篇论文；

……

曹原在21岁的年纪，

就作为第一作者，

一次性发表了两篇，

堪称“神之操作”。

而且，

《自然》等不及排版就先行在网站上刊出，

并配以第三篇文章做评述，

可见其重视程度之深。

2

重磅论文，为超导体30年之寻打开新思路

引起如此轰动的论文，

究竟讲了什么内容？

原来，

曹原及其团队发现，

将两层石墨烯叠加在一起，

当转角接近魔角(Magicangle)即1.1°、

同时温度环境达到1.7K（-271℃）时，

它们会表现出非常规超导电性，

其属性与铜氧化物（其结构往往难以调整）的高温超导性类似。

双层石墨烯系统中旋转的效应 

看到这里，大部分人都表示：看不懂！

其实，要想理解这两篇论文的意义所在，

先要了解什么是超导电性。

1911年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯等人发现

当汞被冷却至接近0K（-273℃）时，

电子可以通行无“阻”。

他们将这个“零电阻状态”称为“超导电性”。

具有超导电性的材料有很强的应用价值，

因为，

一般材料在导电过程中会消耗大量能量。

以传输电缆为例，

从发电站到用户的传送过程中，

消耗损失的能量越小，

经济效益越大。

超导体的出现，

使传输过程中的能量损耗几乎为零。

不过，

目前绝大多数超导体仅在接近0K（-273℃）温度下工作，

维持低温使超导体的应用成本显著提升。

如果材料能在室温下实现超导，

就能避开昂贵的冷却费，

彻底改变能量传输、医疗扫描仪和运输等相关领域的现状。

既然室温超导效益这么好，

那找到合适的材料不就行了吗？

没这么简单，

目前，材料达到超导状态的最高温度约为133K（-140?C），

这种材料就是铜氧化物，

于20世纪80年代被发现。

30多年来，

在寻找室温超导体的路上，

铜氧化物一直是物理学家关注的焦点。

铜氧化合物高温超导体的电子态相图和典型晶体结构

但是，上文也提到了

铜氧化物的结构往往难以调整，

所以，很难通过实验发现其实现超导的机制。

曹原及其团队的贡献就是，

在描述双层石墨烯的电子密度与温度关系时，

发现了与铜氧化物超导体相似的结果。

这为物理学家发现铜氧化物超导机制

提供了一个前所未有的体系，

也为寻找室温下的超导材料提供了思路。

研究的另一亮点在于，

仅用纯碳基的石墨烯来实现超导相，

也是人们期待已久的。

因为石墨烯有各种奇特的性质，

比如高电导率、透光率、机械强度、稳定性等等，

都已不同程度地得到了应用，

唯独超导性质迟迟未能实现。

有网友就此评价：

《自然》应该为能刊发曹原团队的文章而感到荣幸。

3

传奇少年班，40年输出人才无数

曹原取得如此卓越的成就，

得益于麻省理工学院的超强团队，

同时也离不开中科大的悉心培育，

尤其是中科大少年班的“超常教育”。

【注：超常教育是指为智力等方面超常的儿童创立的教育】

中国科学技术大学少年班最早由

诺贝尔物理奖获得者李政道先生提出。

1975年5月，他在回国访问时发现，

中国各行各业百废待兴，

科技人才严重断档，

于是通过周总理向毛主席建议：

“从全国选拔很少数，

约十三四岁左右的、有培养条件的少年，

到大学去培训”，

培养一支“少而精的基础科学工作队伍”。

旨于从少年人才入手，

使全国各类人才培养步入正轨。

李政道

1978年3月8日，

中国科学技术大学创建了少年班，

主要招收尚未完成常规中学教育

但成绩优异的青少年接受大学教育。

其目的是探索中国优秀人才培养的规律，

培养在科学技术等领域出类拔萃的优秀人才，

推动中国科技、教育和经济建设事业的发展。

40年间，

中科大少年班输出的卓越人才不胜枚举，

遍布社会各界。

首届78级张亚勤，

曾任微软副总裁，

现任百度总裁；

81级骆利群，

38岁时出任美国斯坦福大学正教授，

2012年当选美国科学院院士；

82级卢征天，

旅美时获美国青年科学家总统奖，

现任中国科大“千人计划”教授；

85级杜江峰，

现为中科院院士，

并任中国科大物理学院执行院长、教授；

87级庄小威，

34岁成为哈佛大学化学与化学生物系、物理系双聘正教授，

是当时美国科学院最年轻的华人院士，

曾获美国跨领域最高奖项之一麦克阿瑟天才奖，

现为中国科学院外籍院士；

96级尹希

未满32岁晋升为哈佛大学正教授，

打破华人记录；

98级陈宇翱，

80后的中国科大教授，

曾获欧洲物理学会“菲涅尔奖”；

……

张亚勤（左）、庄小威（右）

根据中科大的统计，

截至2016年，

少年班共有超过3400名本科生毕业，

约90%考取国内外研究生。

毕业10年后的学生中，

有超过200人成为国内外名校和科研机构教授，

另有55%投身于企业界、

19%活跃于金融界，

在世界500强任职者达到35％。

4

英雄出少年，中科大的传奇人物！

毕业于中科大少年班的曹原，

延续着师哥师姐们的优秀，

也扛起了中科大的荣耀。

曹原出生于1996年，

20出头的年纪，

目前在麻省理工学院读博士三年级。

他从小就是大人口中“别人家的孩子”：

初一只读了一个月，

初二读了三个多月，

初三还没待够半年就参加了中考，

并顺利考上了深圳耀华实验学校。

耀华实验学校以“超常教育”闻名，

主管该项目的是副校长朱源，

曾任教中国科大少年班20多年。

少年曹原

曹原对化学和物理非常感兴趣，

做化学实验所需的硝酸银很贵，

也很难买到，

他就买来了硝酸，

把妈妈的银镯子放了进去，

人工“合成”了硝酸银。

高中学业十分繁忙，

他放学回家就10点了，

但依旧要花1个多小时的时间

捣鼓各种化学试剂。

曹原生活照 

2010年，14岁的曹原以高考理科669分的成绩

考入中科大少年班学院，

并入选“严济慈物理英才班”。

【注：“严济慈物理英才班”由中科大与中科院物理所合办，

目标是培养未来活跃在物理及相关研究领域的领军人物。】

天才代出的中科大少年班竞争激烈，

曹原在其中却如鱼得水。

有同校的知乎网友回忆，

经常在各大教授的办公室看到

胸前挂着钥匙的曹原一脸认真地请教问题。

中科大少年班学院

中科大教计算物理课的丁泽军教授，

因教学严谨、苛刻，

让许多学生“闻风丧胆”，

人称“丁老怪”。

但这位“丁老怪”却对曹原赞赏有加，

他曾表示曹原是“很聪明的家伙”，

本科时仅用一个寒假的时间，

就完成并发表了计算机物理课程中相关研究成果的文章，

“真的是怪物啊！”

现在，丁教授每年上计算机物理课绪论时，

都会提到曹原。

中国科大物理学院曾长淦教授也证实——

“这是在我实验室混过的娃。”

“（本科）在我们实验室

还发了一篇PRB（物理学术期刊）理论文章。

当时就觉得他太厉害了。”

“他是如此的令人放心：

只要把题目交给他就行，

他一定能做出来！”

除了发表论文这一爱好，

曹原还喜欢摄像、天文，

经常在朋友圈发天文观测的照片。

曹原的天文摄影作品

当然，曹原开挂的人生远不止这些，

2012年，他被选为首批交流生赴密歇根大学学习；

2013年6月，被牛津大学选中，

受邀做两个月的科研实践；

2014年，获得中科大本科生最高荣誉奖

——郭沫若奖学金，

不久，

他在牛津大学实践时的导师陈宇林教授

推荐其前往麻省理工学院深造，

目前，曹原在电气工程与计算机科学系攻读博士，

师从物理学家PabloJarillo-Herrero，

也就是开头提到的两篇论文的通讯作者，

即项目总负责人。

曹原荣获郭沫若奖时与时任校长侯建国院士合影

一位与曹原熟悉的少年班学霸表示：

我们都觉得他可能成为下一个庄小威，

这一点都不过分。

因为他实在是太强了，

以前在科大就是传说级的人物。

网友们对曹原的评价也非常高。

现在，

曹原并没有停下他的脚步，

又投入到了新一轮的实验与学习中。

未来，

中国更多的少年英才，

将继续书写自己的辉煌，

并为祖国的繁荣做注脚。

（本文图片均来源于网络）

资料来源：新华网、中科大新创基金会、微信公众号“原理”、“DeepTech深科技”、曹原本人在知乎上的回答https://www.zhihu.com/question/268268033等。