22 歲科大少年班學子一日兩登《Nature》

【科大瞬間】特刊
《我們心中的科大》--建校60周年慶

小荷才露尖尖角

——22 歲科大少年班學子曹原一日兩登《Nature》

阮耀鍾(5802)

2018年3月5日，以中國科大2010級少年班校友曹原為第一作者的兩篇關於石墨烯超導技術新發現的論文，登上了英國雜誌《Nature》（自然），令全世界為之驚訝！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關絕緣子行為）。

另一篇是《Unconventional superconductivity in magicangle graphene superlattice（非傳導型超導電性的魔角圖形超晶格）。

同日，《Nature》雜誌還配發了署名 Eugene J. Mele 的關於曹原論文的推薦文章《Novel electronic states seen in graphene》（石墨烯中展現新的電子態）。

《Nature》雜誌，創刊於 1869 年，是一份在學術界享有盛譽的國際綜合性科學期刊。雜誌以報道科學世界中的重大發現、重要突破為使命。在這份世界頂級科學雜誌的作者名單中， 曾誕生過眾多諾貝爾獎獲得者。能登上《Nature》的學者們，要麽是來自世界頂級實驗室，要麽是世界頂級團隊。令人望而生畏的是，《Nature》的斃稿率高達 90%，即便是世界頂級的科研工作者，想入圍那 10%一次，也是難度極大的挑戰。

《Nature》自創建 149 年以來，同一作者一日兩登，還是創紀錄的頭一回。曹原今年 22 歲，目前還隻是美國麻省理工學院（MIT）的在讀博士生，成為登上《Nature》最年輕的一位中國人。《Nature》雜誌等不及排版就先行在網站上刊出，並配發評述，可見《Nature》對其成果的高度重視。人們不禁要問，這位重大前沿課題研究的領銜人物、22歲就有不凡貢獻的在讀學生，究竟是什麽來曆？

曹原的童年和少年

1996 年，曹原出生於四川成都。3 歲時全家遷往深圳。小時候的曹原，有兩個特點，一是愛動腦筋，一是愛動手做實驗。在深圳景秀小學讀書時，往往老師剛說出題目，曹原
就喊出了答案。“我那時經常接嘴、插嘴或者和老師頂嘴。”但曹原不覺得自己比同齡人聰明多少。他說，“我隻是比較愛讀科技類課外書，像《科學探索者》，前前後後翻了好多遍，為我現在的知識麵打下了很好的基礎。我現在的動手能力，也得益於小時候常在家搗鼓電子電路和化學實驗。”他特別喜歡搗鼓電子產品，經常跑去深圳的電子市場，能耗去整個下午，然後買上一大堆電子元件回家，拆了裝，裝了拆的去研究電子線路。他特別熱衷的就是科技類課外書。

曹原對化學和物理也非常感興趣。做化學實驗所需的硝酸銀很貴， 也很難買到，他就買來了硝酸， 把媽媽的銀鐲子放了進去，人工“合成”了硝酸銀。高中學業十分繁
忙，他放學回家就 10 點了，但依舊要花 1 個多小時的時間搗鼓各種化學試劑。老師眼中的他，“自主學習能力很強，動手能力超強”。2007 年 9 月，曹原在小學畢業以前，考上了以 “超常教育” 聞名的深圳耀華實驗學校，開始進入六年級課程。該校主管超常教的副校長朱源，曾在中國科技大學少年班任教二十多年，任教期間， 培養出駱利群、莊小威、張亞勤、張家傑等國際知名學術大咖。曹原在耀華實驗學校可謂如魚得水。他隻花了三年就完成從小學六年級開始到初、高中的全部課程學習。他說： “在學習中，重要的不是老師，也不是特別的教材與習題，而是自己願意鑽研的學習興趣，以及善於鑽研的自學能力。” 在曹原看來，“能在兩年內完成初、高中課程學習，離不開家校共育的開明教育理念。”

中國科大和美國麻省理工的求學之路

2010 年，14 歲的曹原參加高考，考出了理科 669 的高分！中國科學技術大學搶先將他錄取為少年班學員，並選入馳名中外，以培養未來科研領域領軍人物為目標的 “嚴濟慈物理英才班” 。中國科大，名師雲集。科大學子，競爭激烈。少年班麵對的老師，對學生要求之嚴格，被人戲稱為“殺手名捕”。曹原求知若渴，並不怕這些“名捕”。他經常穿梭於各大教授的辦公室，一臉認真地去逐一請教，還時時提出一些刁鑽古怪的問題，和教授一起去探討。在眾多來自全國各地的佼佼者中，曹原給教授們留下了深刻的印象。物理學院丁澤軍教授因教學嚴謹苛刻，讓許多學生“聞風喪膽”，人稱“丁老怪”，而偏偏曹原就入了“丁老怪”的法眼。一提起他，“丁老怪” 就讚賞有加： “很聰明的家夥！本科階段，就在計算物理課程中的課題研究出了成果，還發表了一篇文章：J. Mag. Mag. Mater. 355 (2014) 93-99。沒花他多少時間，也就是一個寒假就做完了” 。

中國科大物理學院曾長淦教授也自豪地說：“這是在我實驗室混過的娃，他還在 PRB（物理學術期刊）發了一篇理論文章，當時就覺得這孩子太厲害了”，“我的實驗室出了很多位郭沫若獎的獲獎者，但他在其中還是顯得卓爾不群，非常特別”。曾教授還說：“我們的研究以實驗為主，但曹原發的卻是理論文章。雖然在實驗選題、方向與寫作上我可以給他指導，但在技術細節上，我無法手把手地教他。曹原是如此的令人放心：隻要把題目交給他就行，他一定能做出來！計算遇到困難，他永遠會嚐試其他的軟件和方法。一般而言，才氣過人的學生，往往恃才傲物，但曹原卻非常低調沉穩，情商很高。他在我們實驗室時就很受歡迎。”一位與曹原熟悉的少年班畢業生說：我們都覺得他可能成為下一個莊小威，這一點都不過分。他實在是太強了，以前在科大就是傳說級的人物。

除了曹原個人的才華與努力，中國科技大學確實也為他創造了最理想的條件。2012 年，他作為首批交流生，被中科大派去美國密歇根大學學習。回國後，他寫了一篇散文《安娜堡的回憶》，回憶了在美國的交流學習生活。他說：讀萬卷書行萬裏路，我希望以後有更多的學弟學妹，能有這種寶貴的機會。地球村是如此充滿活力，我們應做它的主人，加油吧，世界會因你而精彩！

2013 年 6 月，他獲得中科大 “頂尖海外交流獎學金” ，同時被牛津大學選中，受邀做兩個月的科研實踐。

2014 年，曹原榮獲中國科大本科生最高榮譽獎——郭沫若獎學金。曹原榮獲郭沫若獎學金時的照片（右二）

不久，他在牛津大學實習時的導師陳宇林教授推薦他前往麻省理工學院深造。他隨即遠赴重洋， 在美國麻省理工，電氣工程與計算機科學係攻讀博士學位。四年來，他一直潛
心研究石墨烯的超導電性。這項研究，在國際上還沒有先例，但他的研究成果，有可能成為改變世界未來的引信！當曹原以第一作者身份，一天兩次登上《Nature》雜誌那天，距離中國科學技術大學少年班成立的 1978 年 3 月8 日，正是 40 周年紀念的前兩天。這兩項研究成果，恰巧成了他回饋給少年班 40 周年最重磅的厚禮！

走向新的征程

麵對全世界矚目的如此殊榮，對外，曹原就說了一句簡單的話：“一個紮實走好每一步、過好每一天的人，未來一定不會太差。”

而在曹原看來， 此次 MIT 石墨烯超導的重大研究發現，並非偶然成果。因為旋轉雙層石墨烯在 MIT 實驗室已經研究了好幾年，之前也發表過多篇相關方麵的文章。曹原的論文指出，當兩層石墨烯以一個“魔角”扭曲在一起時，就能超導。更確切地說，將兩層隻有原子厚的石墨烯以特別的角度堆疊在一起，當碳原子間的排列呈 1.1度（這個角度就是所謂的“魔角”）的角度偏移時，就會使材料變為超導體。盡管該係統仍然需要被冷卻至絕對零度以上 1.7 度，但結果表明了它或許可以像已知的高溫超導體那樣導電。一旦該結果被確認，此次的發現對於理解高溫超導電性至關重要。

超導體大致可分為兩種類型：可被主流超導理論解釋的常規超導體， 以及無法用主流理論解釋的非常規超導體。最新的研究結果顯示了石墨烯的超導行為是非常規的，並且表現出一些與另一種銅氧化物的非常規超導體相似的屬性。這種複雜的氧化銅可以在絕對零度的 133 度之上超導。三十年來，盡管在尋找室溫超導體的路上，銅氧化物一直是物理學家所關注的焦點，但其背後的機製依舊使他們困惑。與銅氧化物相比，堆疊的石墨烯係統相對簡單，並且物理學家對它有著更好的理解。曹原說，“超導現象於去年 8 月左右首次確認的。此前，石墨烯中的超導電性，在國際上還沒有先例。實驗中最困難的地方，主要在於如何將兩層石墨烯之間的轉角精確控製在 1.1°附近，這個角度一般叫做魔角，會對石墨烯中電子的運動方式

造成極大的影響。”然而研究過程並不順利，曹原說，實驗失敗乃家常便飯，心態平和就沒什麽壓力。曹原告訴記者，“這項研究主要的意義是提供了一個全新的思路，幫助物理學家理解一些至今尚未完全解釋的物理現象，比如 30 年仍懸而未解的高溫超導體的產生原因。我們在旋轉雙層石墨烯中發現的超導，和其他幾乎所有已觀測到的二維超導都不同，反而和 1986 年發現的高溫超導有諸多相似性。如果未來能夠通過研究石墨烯中的超導來證實關於高溫超導的諸多理論和猜測的話，那麽科學家就可以更有方向性地設計新的材料，從而有可能實現室溫超導。