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曹原,石墨烯的驾驭者

时间:2022-12-07 09:00:08 来源:网友投稿

2018年12月18日,世界顶尖学术期刊英国《自然》杂志发布了“2018年度科学人物”,让人意外的是,位居榜首的居然是1996年出生、在美國麻省理工学院攻读博士的中国留学生曹原。他被《自然》杂志称为“石墨烯的驾驭者”,他发现了使石墨烯能够在没有电阻的情况下导电的方法,破解了困扰物理学界107年的世界难题。可以说,这一发现开创了一个新的领域,该方法将会使能源的使用和运输更为有效。

2010年,曹原以高分考入了中国科学技术大学少年班,那一年,他只有14岁。四年后,他从中国科学技术大学获得了本科学位,前往美国攻读博士。此后,曹原再接再厉,先后发表了两篇关于原子厚度碳片层奇异行为的论文,开启了物理学的一个全新领域。

2014年,曹原加入了Pablo Jarillo-Herrero在麻省理工学院的团队,该团队当时已经开始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。根据一种理论预测,这种扭曲会极大地改变石墨烯的行为,但许多物理学家对此持怀疑态度。曹原决心创造出这种以微妙角度扭曲的双层石墨烯,并发现了一些奇异的现象——对石墨烯施加微弱的电场并冷却至绝对零度以上1.7度时,会让能导电的石墨烯变成绝缘体。这一发现本身不可谓不令人惊讶。

曹原说:“我们已经料到这会对整个领域带来巨大影响。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。”他们在第二个样本中观察到了同样的现象,最终确认了自己亲眼所见的事实。

通过简单的旋转就能让原子厚度的碳材料产生复杂的电子态,这一研究成果让物理学家争相对其它扭曲二维材料的奇异行为进行实验。一些物理学家甚至希望石墨烯能够阐明复杂材料为何会在更高的温度下成为超导体。哥伦比亚大学物理学家Cory Dean表示:“我们接下来可以做的事情太多了,眼前的机会巨大。”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。

曹原原创的方法先将单层石墨烯撕裂,组成方向相同的双层石墨烯,并在此基础上进行微调校准。曹原还通过调整低温系统,达到了能让超导态更为显著的温度。

2018年3月5日,《自然》杂志发表了两篇以曹原为第一作者的石墨烯重磅论文。曹原发现,当两层平行石墨烯堆成约1.1°的微妙角度,就会产生神奇的超导效应,而他也成为以第一作者身份在该杂志上发表论文的最年轻的中国学者。有科学家指出,他这组重磅论文的发表,可能预示着改变人类生活的重大发现。

今天的曹原虽然还很年轻,略带羞涩,但在他的同事眼中,曹原的坚持不懈体现了他的成熟。曹原现在23岁了,但他对自己未来的职业道路还不确定。他说:“在魔角石墨烯上,我们还有很多事情要做。”曹原本科时的指导老师、物理学家曾长淦表示,全球各大高校已经在用博士后职位,甚至是教职岗位来吸引他,“在中国的凝聚态物理学家中,每个人都知道他的名字”。

“在魔角石墨烯上,我们还有很多事情要做。”

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