中國物理學(xué)界的天才新星

蘇一橫

2018年年末，世界最權(quán)威的科學(xué)期刊——《自然》雜志公布了2018年世界十大科學(xué)人物的名單，年僅22歲的中國天才少年曹原成功入選并位居首位，轟動了世界。那么，曹原究竟何許人也？他又做出了怎樣驚世駭俗的科學(xué)研究呢？下面，我們就來介紹一下這位中國物理學(xué)界的天才新星。

超常教育打造的天才

1996年，曹原出生于四川成都，11歲時隨父母來到深圳生活，轉(zhuǎn)學(xué)進(jìn)入深圳耀華實驗學(xué)校。

耀華實驗學(xué)校是一間民辦私立學(xué)校，教學(xué)理念比較開放，師資力量也很雄厚，校內(nèi)有很多熟諳中小學(xué)教育規(guī)律的名師。曹原在這樣良好的環(huán)境里學(xué)習(xí)，迅速表現(xiàn)出異于常人的學(xué)習(xí)天賦。在課堂上，曹原的學(xué)習(xí)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他同學(xué)，無論什么課程都是一聽就懂，而且，他對課本知識的理解程度往往超過了教學(xué)大綱的要求。在課堂之外，這名小學(xué)生也有著和其他同齡孩子不同的愛好——他不玩游戲，不追歌星，反而喜歡動手做實驗，拆卸、安裝一些電子元件。為了鍛煉自己的動手能力，曹原甚至在家里搭建了一個自己的實驗室。

幸運的是，曹原的學(xué)習(xí)天賦也得到了學(xué)校的重視。為了避免曹原的成長受到限制，校方?jīng)Q定拋棄傳統(tǒng)的按部就班的“年級教學(xué)”，為曹原量身定做一套與眾不同的超常教育模式。為此，學(xué)校招收了另外兩名神童學(xué)生，將他們和曹原組成一個“超常班”。這個“超常班”用校長的辦公室做教室，由曾在中國科技大學(xué)任教超過20年的副校長朱源老師直接任教，并配備其他6位名師，全程輔導(dǎo)曹原三人的學(xué)業(yè)。

在朱源等老師的幫助下，僅僅不到3年的時間，曹原就完成了小學(xué)六年級、初中、高中所有課程學(xué)習(xí)。而面對外界驚訝的目光，曹原卻不屑一顧地表示，自己只是跳過了中學(xué)里一些無聊的東西。

如果不是年齡限制，曹原相信自己會更早參加高考，在“被迫”等到14歲后，他以高考669分的優(yōu)異成績考入中國科技大學(xué)少年班。

中國科技大學(xué)少年班創(chuàng)立于1978年，可以說是中國實力最強(qiáng)的“超常班”，40年的時間里，這里總共畢業(yè)1070名學(xué)生，其中有多位后來成長為享譽(yù)世界的科學(xué)家。不過，在這樣的地方，曹原的光芒并沒有被周圍優(yōu)異的同學(xué)所掩蓋，他依舊卓爾不群。別人要用一整年完成的科研項目，曹原短短一個寒假就能完成，被評價為“天才中的天才”。曹原在少年班的老師丁澤軍教授，對學(xué)生要求嚴(yán)格，眼光很高，但在說起自己的學(xué)生曹原時，丁澤軍卻一反常態(tài)，稱曹原是一個很聰明的學(xué)生。另一位少年班的老師曾長淦教授也很喜歡曹原，他甚至承認(rèn)，在某些方面，自己指導(dǎo)不了曹原。

一段超常教育接著另一段超常教育，不僅培養(yǎng)出曹原出色的科研能力，也給了他更高的志向和更足的信心。2014年，曹原大學(xué)畢業(yè)，獲得了中國科技大學(xué)本科生的最高榮譽(yù)——郭沫若獎學(xué)金。為了繼續(xù)深造，曹原前往美國著名的麻省理工學(xué)院攻讀博士學(xué)位。

發(fā)現(xiàn)石墨烯的神奇“魔角”

曹原不僅智商超高，他的情商也優(yōu)于常人。初入麻省理工學(xué)院，18歲的曹原遇到了第一次挫折，因為考試分?jǐn)?shù)的原因，他沒能考取自己之前感興趣的研究方向，而是被調(diào)配到石墨烯的相關(guān)研究領(lǐng)域，師從帕布洛·賈里洛·赫雷羅教授。曹原一度非常失望，但很快就調(diào)整好心態(tài)，迅速開展對于石墨烯的研究。

石墨烯是一種由單層碳原子以六角形的晶格構(gòu)成的二維薄膜，它是人類可以制作的最薄的納米材料，具有非常神奇的物理性質(zhì)。迄今為止，物理學(xué)家已經(jīng)充分研究了石墨烯的高導(dǎo)熱性、高透光性、高硬度和高韌性，這些性質(zhì)也已經(jīng)不同程度地得到了應(yīng)用，但唯獨石墨烯的超導(dǎo)性質(zhì)遲遲未能實現(xiàn)。所以，世界上許多科研團(tuán)隊都在潛心研究石墨烯的超導(dǎo)電性，帕布洛·賈里洛·赫雷羅領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊便是其中之一。

為了實現(xiàn)石墨烯的超導(dǎo)，帕布洛·賈里洛·赫雷羅的具體做法就是，將兩層或數(shù)層石墨烯堆疊起來，然后讓不同層的石墨烯的晶格以不同的角度彼此旋轉(zhuǎn)，研究這幾層石墨烯的總體導(dǎo)電性能會有什么變化。這項工作看上去簡單，其實非常需要毅力和高超的動手能力。因為石墨烯非常?。ㄊ┤∽允?，而一片1毫米厚的石墨片大約包含300萬層石墨烯），實驗員制作石墨烯的方法是將石墨片的兩面粘在膠帶上，然后撕開膠帶，這樣就能把石墨片一分為二，不斷地這樣操作下去，石墨片會越來越薄，最后剩下僅由一層碳原子構(gòu)成的石墨烯?？梢姡玫揭粚油昝赖氖┎⒉蝗菀?。而且，即使得到了合格的單層石墨烯，實驗員還需要想辦法將一層一層的石墨烯以相同的角度堆疊起來，能夠做到微調(diào)校準(zhǔn)，并且旋轉(zhuǎn)后能夠精確地記錄彼此之間的角度。

在麻省理工學(xué)院的四年時間里，曹原反復(fù)進(jìn)行著堆疊、旋轉(zhuǎn)、測試石墨烯的工作，他以一種少年老成的氣質(zhì)，默默地朝著目標(biāo)奮斗。有一次，曹原在實驗中得到了一項意外的實驗結(jié)果，他激動不已。隨后，曹原花了整整6個月的時間，每天徹夜不休地研究其中的原理，卻在最后發(fā)現(xiàn)那不過是實驗中出現(xiàn)的巧合。曹原受到如此大的打擊也不氣餒，第二天，他又早早地出現(xiàn)在實驗室，繼續(xù)努力。終于，憑借堅韌的毅力，曹原成功地發(fā)現(xiàn)了利用石墨烯實現(xiàn)超導(dǎo)的方法。

2018年3月，曹原在《自然》雜志連續(xù)發(fā)表兩篇研究論文，成為以第一作者在《自然》上發(fā)表論文的最年輕的中國學(xué)者。在兩篇論文中，曹原指出，當(dāng)兩層石墨烯以一個“魔角”堆疊在一起時，就能在零電阻下導(dǎo)電。更具體地說，在1.7開爾文的低溫環(huán)境下，將兩層石墨烯以特別的角度堆疊在一起，放入微弱的電場中。當(dāng)兩層碳原子間的排列呈1.1度（這個角度就是所謂的“魔角”）的偏移角度時，就會使材料（以“魔角”堆疊的兩層石墨烯）變?yōu)槌瑢?dǎo)體，而如果將微弱電場稍加變動，又可以使材料變成絕緣體。

曹原的發(fā)現(xiàn)引起了全世界的矚目，因為他不僅解決了石墨烯長期未能實現(xiàn)的超導(dǎo)問題，還讓物理學(xué)界認(rèn)識到，簡單的旋轉(zhuǎn)就能讓石墨烯產(chǎn)生復(fù)雜的電子態(tài)。如今，物理學(xué)家都爭著要用類似的方法在其他二維材料上尋找激動人心的發(fā)現(xiàn)，可以說，曹原的工作開創(chuàng)了“轉(zhuǎn)角電子學(xué)”這一全新的研究領(lǐng)域。

2018年12月18日，曹原被《自然》雜志錄入“2018年世界十大科學(xué)人物”名單，位居首位，一舉成為中國乃至世界物理學(xué)界一顆耀眼的新星。目前，曹原仍在美國深造，繼續(xù)著自己的科學(xué)夢。天才加勤奮，再加上正確的培養(yǎng)方式，終于為曹原鋪就了成功之路。