世界顶尖学术期刊《Nature》公布了2018年度科学人物,95后中国少年曹原凭借轰动国际学界的新发现,开辟了凝聚态物理的一块新领域,荣登年度十大科学家之首。这一发现也一举解决了困扰世界107年的难题。他学术之路如何开启,又是怎样持续下去的?一起来听听曹原的故事。

2008年深圳的一堂初中物理课上,老师黄佳堂正在给学生们讲解金属电阻率的常识:金属的电阻率会随温度的降低而降低,当温度趋于绝对零度,就会呈现一种超导状态。

台下,一位名叫曹原的同学被激起了好奇心,举手问道:“怎么样才能使常温下的材料电阻为零?改变材料性质的方法行不行?”

彼时,老师淡淡地说:“这需要你们去研究,如果你们研究出来,那就很有可能改变世界!”谁也没想到,这个伏笔竟成为多年后曹原改变世界的契机……

光影荏苒,当时光进入2019年初,世界顶尖学术期刊《Nature》公布了2018年度科学人物。在这些人中,中国少年曹原荣登年度十大科学家之首。

95后中国少年荣登10大科学家之首,破解全球百年难题,竟是因为初中一堂物理课...

纵观每年《自然》十大人物的封面图片,虽然都以一个巨大的数字“10”为主要元素,但具体的样式则会融入当年的科技热点,而今年的封面图则明显指向了曹原的成就。

图片中数字“10”中的“0”被设计成正六边形,代表了曹原实验中石墨烯的碳环结构,同时数字呈现两层红蓝网格叠加的重影,这正是曹原实验中的“魔法角度”。

科学家们表示,曹原轰动国际学界的新发现,直接开辟了凝聚态物理的一块新领域,一举解决了困扰世界107年的难题。

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一时间,关于曹原的话题纷纷引发热议,而曹原说自己更多想起的,其实是中学课堂上的那次物理课……

三年读完小初高,高考拿669分

1996年,曹原出生于成都,3岁随父母迁入深圳。

从小,淘气的曹原就有着停不下来的顽皮劲儿:在大人说话时插嘴、在老师上课时顶嘴;为了看教室里的桌子椅子是什么构造,二话不说把它们全部拆了;做实验的时候发现硝酸银太贵,把银镯子丢到买来的硝酸里,偷偷合成…

在一些家长的眼中,调皮捣蛋的孩子更需要严加管教,这样才能“棍棒底下出孝子”。

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但幸运的是,曹原的家人却不这么认为。为了支持儿子的好奇心,他们在家里购置来更多的化学、物理实验仪器,为他创造了一个小小实验室。

2007年,曹原在父母的支持下,顺利考上以“超常教育”闻名的深圳耀华实验学校,从此开始了一段“非主流”的童年。

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深圳耀华实验学校

入学后,曹原被安排进了小六(2)超常班。这个只有3名同学的班级,由曾在中科大任教超过20年的副校长朱源直接授课,同时配备6位老师,全程照顾这三位孩子的学业。

在曹原的小学班主任黄佳堂眼里,“上学的时候,他已经展示出了过人的灵气和天赋。善于思考,勤于动手,我们发现了他这个特点,于是着重在动手能力培养方面,给他创造条件、提供超过教学大纲的实验条件。”

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物理老师:黄佳堂 来源:深圳耀华实验学校

高中学业繁忙,但曹原仍旧鼓捣个不停,放学回家都10点了,他还要再花1个多小时的时间,捣鼓各种化学试剂。

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曹原

家人的包容,和学校因材施教的个性化教学,为曹原提供了灵活的教学机制与氛围。别人都是中学三年,高中三年,他只用了两年时间,就把初中、高中的课都读完了。

对此,曹原觉得:“在学习中,重要的不是老师,也不是特别的教材与习题,而是自己愿意钻研的学习兴趣,以及善于钻研的自学能力。

2010年,14岁的曹原以理科669分的好成绩被中科大录取。

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中国科技大学

中科大少年班的“大神”

经历了这段在学校保驾护航下频繁跳级的经历,14岁那年,曹原离开了深圳耀华实验学校,考入中科大少年班学院“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)。

即使是在强手如林的中国科技大学少年班,曹原依旧没有被身边同学耀眼的光芒所遮掩,反而过得愈发如鱼得水。

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中国科技大学少年班学院 来源:中国科技大学

求知若渴的曹原,经常被同学们看到自如地穿梭于各大教授的办公室,一脸认真地去逐一请教,还时不时提出一些刁钻古怪的问题,和教授一起去探讨。

在一个学霸云集的校园提起曹原,同学们丝毫不吝惜对他的称赞:“他就是中科大下一个庄小威,实在太强了,在中科大完全就是传说级的人物。”

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庄小威

同学们口中的庄小威,是中科大学生的榜样,也是第一位获得“麦克阿瑟天才奖”的华人科学家。从中科大少年班毕业后,年仅29岁就进入世界排名第一的哈佛大学担任教授。

在学校里,曹原不仅被同学们“封神”,连老师也对他赞不绝口。

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丁泽军教授

在中科大,教授《计算物理》课程的丁泽军教授在同学们眼中“脾气古怪、治学严谨、要求极严,令许多学生闻风丧胆,但偏偏对曹原刮目相看,形容他是一个“很聪明的家伙”。

“本科时计算物理课程中的课题研究成果发了一篇文章。也没花多少时间,也就是一个寒假就做完了。”

别人要用一整年完成的科研项目,曹原短短一个寒假就能完成,这是以前从未有过的“奇迹”。

课程之外,兴趣广泛的他喜欢捣鼓计算机,尝试自己从头开始编程,展现出了超强的理论功底和计算机能力。

除了计算机,曹原还喜欢观测宇宙,经常在朋友圈晒天文观测的照片,并告诫自己,在广阔的宇宙面前,再多的起伏都不过是沧海一粟。

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曹原拍摄的星空图

大二那年,不满于现状的曹原找到物理学院的曾长淦教授,希望能来到他的实验室学习。也正是在这里,曹原在曾教授的指导下开始了石墨烯超晶格等离激元的理论研究。

“这是在我实验室混过的娃,他还发了一篇PRB理论文章(PRB,物理学术期刊),当时就觉得这孩子太厉害了。”提起曹原,曾教授同样爱不释手,“我实验室出了许多个郭沫若奖,但他在其中还是显得卓尔不群,非常特别。”

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曾长淦教授

“他是如此地令人放心,只要把题目交给他,他一定能做出来! 

2012年,曹原作为中科大派出的首批交流生,前往美国密歇根大学游学;次年6月,他获得中科大“顶尖海外交流奖学金”,同时被牛津大学选中,受邀开展为期两个月的科研实践。

2014年,曹原本科毕业,荣获中国科技大学本科生最高荣誉——郭沫若奖学金。

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曹原获郭沫若奖学金

不久,曹原在牛津大学实践时的导师陈宇林教授,推荐他前往麻省理工学院深造,他随即远赴重洋,在美国攻读博士学位。

这一年,曹原只有18岁。

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曹原

麻省理工的18岁博士生

面对学业上的光鲜履历,曹原却极为低调,他称自己“并不特别”,大学还是读满了4年,“只是跳过了中学里一些无趣的部分”。

或许,正是因为这份沉稳、不骄不躁的平和心态,才帮助曹原度过了在美国麻省理工即将到来的几次难关。

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美国麻省理工学院(MIT)

初到美国,博士开局阶段的曹原就遇到了阻碍。

因为与麻省理工学院的物理学研究生项目失之交臂,让偏爱物理的曹原一度陷入绝望,但坚持不懈的他并没有因此气馁,而后很快调整过来,通过电气工程系进入Jarillo-Herrero的课题组。

在Jarillo-Herrero的课题组,一次偶然的发现,让曹原获得了一项意外的实验结果,令他激动不已。

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Jarillo-Herrero

随后,是曹原花了整整6个月的时间,每天彻夜不休地研究其中的原理,却在最后发现那不过是实验中设置的巧合。

虽然备受打击,但第二天,曹原就又早早出现在实验室,说自己只能卧薪尝胆,继续努力。“他不开心,但他只是卷起袖子继续干了。”导师Jarillo-Herrero犹记得当时的情景。

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MIT实验室

在麻省理工,曹原童年时喜欢拆东西的习惯,一直保留了下来。每次进入办公室,曹原的位置都是乱糟糟的,桌上堆满了计算机和自制望远镜的零件。曹原的导师甚至觉得他的内心深处是个“修补匠”。

而即将到来的成就,无形中也与曹原童年就开始的、热爱探索的精神和极强的动手能力息息相关。

当时,课题组已经在进行将碳片层堆叠和旋转至不同角度的尝试。曹原的主要工作则是考察在堆叠的双层石墨烯中,如果将其中一层相对另一层旋转极小的角度后,会发生什么现象。

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按照理论预测,轻微的偏转就会让材料行为产生剧变,但有许多物理学家对此心存怀疑,更没有人相信实验结果可以像曹原想象中那么简单。

但曹原没有被外界质疑的声音所击退,他坚持相信自己的判断,并决心创造出这种以微妙角度扭曲的双层石墨烯。

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曹原 来源《Nature》

在经历了一次又一次失败后,他依旧信心满满地说:

“实验失败是家常便饭,心态平和地对待失败就没什么压力。”

“吃一堑长一智,做得多了,慢慢就有经验了,自然就攻克了。”

为此,这个20岁出头的小伙子日夜蹲守在实验室,顶住了外界的质疑和嘲笑,克服高温、极寒等多种极端困难条件,在一次又一次失败后,依然坚持不懈。

终于,曹原发现了双层石墨烯一些意想不到的行为!

打破107年的超导体魔咒!

在一次实验中,当曹原开创出新的实验技巧,巧妙地将角度旋转为1.1度时,奇迹发生了,置身特殊电场的两层石墨烯,成为超导体,电子在其间畅行无阻,曹原终于向世界证明了自己!

成功将平行的双层石墨烯扭曲至约1.1°的“魔角”需要一些试错,但曹原很快就掌握了可靠的方法,Jarillo-Herrero认为曹原的实验技巧至关重要。

曹原开创了一种撕出单层石墨烯的方法,以制出具有相同角度的双层堆叠,接着微调校准。他还调整了低温系统的温度,使超导性得以更清晰地显现。

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不同角度扭曲的双层石墨烯 来源:《自然》杂志

此刻,欣喜若狂的曹原深知,这将是一个改变世界的研究成果。为此他小心谨慎,通过7个月的反复实验,最终在第二个样本中观察到了同样的现象,确认了自己亲眼所见的事实。

“我们已经料到这会对整个领域带来巨大的影响。但更好的消息还在后面:只需稍微调整一下电场,扭曲的双层石墨烯就能成为一个超导体,让电子实现零电阻流动。”

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石墨烯结构示意图 来源《自然》杂志

此刻,曹原终于可以骄傲地对全世界说出他的判断。随后,他将学术论文仔细整理撰写,投给了《自然》杂志。

在收到曹原的论文后,《自然》杂志的编辑欣喜若狂,没有校对、没有排版、直接破例,竟然一天之内连续刊登了两篇他所写的关于石墨烯超导的论文!

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要知道,在世界能源史上,电力的传输过程能源损耗巨大。

目前使用的传输材质中,大约7%的能源热是在传输过程中损失掉的,这也一直是世界上所有能源公司头疼的问题。

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1911年,荷兰物理学家卡末林•昂内斯发现了一种能够将电子损失降到0的传输材质,命名为“超导体”。而这个发现也让昂内斯荣获当年的诺贝尔奖。

但令人遗憾的是,要想实现这种传输条件,环境必须冷却至绝对零度(也就是零下273摄氏度)。这在现实世界中绝不可能,因此这一科研成果无法付诸实践,能源公司依旧承担着巨额损失。

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昂内斯

直到今天,一个来自中国的22岁少年,在材料上另辟蹊径,以新兴的石墨烯,取代成本昂贵的传统“超导体”,一招解决了困扰科学界107年“世界难题”。

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在APS march meeting现场,前来聆听石墨烯超导的人已经挤到楼上 来源:知乎网友@小丶斯

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《Nature》评价曹原:“开创了一个全新研究领域的杰出科学家”,而他的实验也在被全世界的科学家们复制和拓展,一旦成熟,就能为世界能源行业节省数千亿美元的资金。

当下,曹原并没有停下他的脚步,而是继续投入到了新一轮的实验与学习中。

少年强,则中国强,22岁的曹原用他的智慧和努力,把自己活成了一个传奇,也让世界看到了中国青年的科技力量。