22 岁科大少年班学子一日两登《Nature》

【科大瞬间】特刊
《我们心中的科大》--建校60周年庆

小荷才露尖尖角

——22 岁科大少年班学子曹原一日两登《Nature》

阮耀钟(5802)

2018年3月5日，以中国科大2010级少年班校友曹原为第一作者的两篇关于石墨烯超导技术新发现的论文，登上了英国杂志《Nature》（自然），令全世界为之惊讶！文章之一是
《Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices》 （在半填充的魔角石墨烯超晶格中的相关绝缘子行为）。

另一篇是《Unconventional superconductivity in magicangle graphene superlattice（非传导型超导电性的魔角图形超晶格）。

同日，《Nature》杂志还配发了署名 Eugene J. Mele 的关于曹原论文的推荐文章《Novel electronic states seen in graphene》（石墨烯中展现新的电子态）。

《Nature》杂志，创刊于 1869 年，是一份在学术界享有盛誉的国际综合性科学期刊。杂志以报道科学世界中的重大发现、重要突破为使命。在这份世界顶级科学杂志的作者名单中， 曾诞生过众多诺贝尔奖获得者。能登上《Nature》的学者们，要么是来自世界顶级实验室，要么是世界顶级团队。令人望而生畏的是，《Nature》的毙稿率高达 90%，即便是世界顶级的科研工作者，想入围那 10%一次，也是难度极大的挑战。

《Nature》自创建 149 年以来，同一作者一日两登，还是创纪录的头一回。曹原今年 22 岁，目前还只是美国麻省理工学院（MIT）的在读博士生，成为登上《Nature》最年轻的一位中国人。《Nature》杂志等不及排版就先行在网站上刊出，并配发评述，可见《Nature》对其成果的高度重视。人们不禁要问，这位重大前沿课题研究的领衔人物、22岁就有不凡贡献的在读学生，究竟是什么来历？

曹原的童年和少年

1996 年，曹原出生于四川成都。3 岁时全家迁往深圳。小时候的曹原，有两个特点，一是爱动脑筋，一是爱动手做实验。在深圳景秀小学读书时，往往老师刚说出题目，曹原
就喊出了答案。“我那时经常接嘴、插嘴或者和老师顶嘴。”但曹原不觉得自己比同龄人聪明多少。他说，“我只是比较爱读科技类课外书，像《科学探索者》，前前后后翻了好多遍，为我现在的知识面打下了很好的基础。我现在的动手能力，也得益于小时候常在家捣鼓电子电路和化学实验。”他特别喜欢捣鼓电子产品，经常跑去深圳的电子市场，能耗去整个下午，然后买上一大堆电子元件回家，拆了装，装了拆的去研究电子线路。他特别热衷的就是科技类课外书。

曹原对化学和物理也非常感兴趣。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。老师眼中的他，“自主学习能力很强，动手能力超强”。2007 年 9 月，曹原在小学毕业以前，考上了以 “超常教育” 闻名的深圳耀华实验学校，开始进入六年级课程。该校主管超常教的副校长朱源，曾在中国科技大学少年班任教二十多年，任教期间， 培养出骆利群、庄小威、张亚勤、张家杰等国际知名学术大咖。曹原在耀华实验学校可谓如鱼得水。他只花了三年就完成从小学六年级开始到初、高中的全部课程学习。他说： “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。” 在曹原看来，“能在两年内完成初、高中课程学习，离不开家校共育的开明教育理念。”

中国科大和美国麻省理工的求学之路

2010 年，14 岁的曹原参加高考，考出了理科 669 的高分！中国科学技术大学抢先将他录取为少年班学员，并选入驰名中外，以培养未来科研领域领军人物为目标的 “严济慈物理英才班” 。中国科大，名师云集。科大学子，竞争激烈。少年班面对的老师，对学生要求之严格，被人戏称为“杀手名捕”。曹原求知若渴，并不怕这些“名捕”。他经常穿梭于各大教授的办公室，一脸认真地去逐一请教，还时时提出一些刁钻古怪的问题，和教授一起去探讨。在众多来自全国各地的佼佼者中，曹原给教授们留下了深刻的印象。物理学院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”，而偏偏曹原就入了“丁老怪”的法眼。一提起他，“丁老怪” 就赞赏有加： “很聪明的家伙！本科阶段，就在计算物理课程中的课题研究出了成果，还发表了一篇文章：J. Mag. Mag. Mater. 355 (2014) 93-99。没花他多少时间，也就是一个寒假就做完了” 。

中国科大物理学院曾长淦教授也自豪地说：“这是在我实验室混过的娃，他还在 PRB（物理学术期刊）发了一篇理论文章，当时就觉得这孩子太厉害了”，“我的实验室出了很多位郭沫若奖的获奖者，但他在其中还是显得卓尔不群，非常特别”。曾教授还说：“我们的研究以实验为主，但曹原发的却是理论文章。虽然在实验选题、方向与写作上我可以给他指导，但在技术细节上，我无法手把手地教他。曹原是如此的令人放心：只要把题目交给他就行，他一定能做出来！计算遇到困难，他永远会尝试其他的软件和方法。一般而言，才气过人的学生，往往恃才傲物，但曹原却非常低调沉稳，情商很高。他在我们实验室时就很受欢迎。”一位与曹原熟悉的少年班毕业生说：我们都觉得他可能成为下一个庄小威，这一点都不过分。他实在是太强了，以前在科大就是传说级的人物。

除了曹原个人的才华与努力，中国科技大学确实也为他创造了最理想的条件。2012 年，他作为首批交流生，被中科大派去美国密歇根大学学习。回国后，他写了一篇散文《安娜堡的回忆》，回忆了在美国的交流学习生活。他说：读万卷书行万里路，我希望以后有更多的学弟学妹，能有这种宝贵的机会。地球村是如此充满活力，我们应做它的主人，加油吧，世界会因你而精彩！

2013 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，受邀做两个月的科研实践。

2014 年，曹原荣获中国科大本科生最高荣誉奖——郭沫若奖学金。曹原荣获郭沫若奖学金时的照片（右二）

不久，他在牛津大学实习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， 在美国麻省理工，电气工程与计算机科学系攻读博士学位。四年来，他一直潜
心研究石墨烯的超导电性。这项研究，在国际上还没有先例，但他的研究成果，有可能成为改变世界未来的引信！当曹原以第一作者身份，一天两次登上《Nature》杂志那天，距离中国科学技术大学少年班成立的 1978 年 3 月8 日，正是 40 周年纪念的前两天。这两项研究成果，恰巧成了他回馈给少年班 40 周年最重磅的厚礼！

走向新的征程

面对全世界瞩目的如此殊荣，对外，曹原就说了一句简单的话：“一个扎实走好每一步、过好每一天的人，未来一定不会太差。”

而在曹原看来， 此次 MIT 石墨烯超导的重大研究发现，并非偶然成果。因为旋转双层石墨烯在 MIT 实验室已经研究了好几年，之前也发表过多篇相关方面的文章。曹原的论文指出，当两层石墨烯以一个“魔角”扭曲在一起时，就能超导。更确切地说，将两层只有原子厚的石墨烯以特别的角度堆叠在一起，当碳原子间的排列呈 1.1度（这个角度就是所谓的“魔角”）的角度偏移时，就会使材料变为超导体。尽管该系统仍然需要被冷却至绝对零度以上 1.7 度，但结果表明了它或许可以像已知的高温超导体那样导电。一旦该结果被确认，此次的发现对于理解高温超导电性至关重要。

超导体大致可分为两种类型：可被主流超导理论解释的常规超导体， 以及无法用主流理论解释的非常规超导体。最新的研究结果显示了石墨烯的超导行为是非常规的，并且表现出一些与另一种铜氧化物的非常规超导体相似的属性。这种复杂的氧化铜可以在绝对零度的 133 度之上超导。三十年来，尽管在寻找室温超导体的路上，铜氧化物一直是物理学家所关注的焦点，但其背后的机制依旧使他们困惑。与铜氧化物相比，堆叠的石墨烯系统相对简单，并且物理学家对它有着更好的理解。曹原说，“超导现象于去年 8 月左右首次确认的。此前，石墨烯中的超导电性，在国际上还没有先例。实验中最困难的地方，主要在于如何将两层石墨烯之间的转角精确控制在 1.1°附近，这个角度一般叫做魔角，会对石墨烯中电子的运动方式

造成极大的影响。”然而研究过程并不顺利，曹原说，实验失败乃家常便饭，心态平和就没什么压力。曹原告诉记者，“这项研究主要的意义是提供了一个全新的思路，帮助物理学家理解一些至今尚未完全解释的物理现象，比如 30 年仍悬而未解的高温超导体的产生原因。我们在旋转双层石墨烯中发现的超导，和其他几乎所有已观测到的二维超导都不同，反而和 1986 年发现的高温超导有诸多相似性。如果未来能够通过研究石墨烯中的超导来证实关于高温超导的诸多理论和猜测的话，那么科学家就可以更有方向性地设计新的材料，从而有可能实现室温超导。