誰是曹原?
摘要:倫敦時間5月6日,中科大10級少年班校友、美國麻省理工學院“95後”博士生曹原分別以第一作者兼共同通訊作者、共同第一作者的身份在最新一期《自然》上連發兩篇石墨烯論文。曹原也因此成爲在《自然》上以第一作者身份發表論文的最年輕中國學者。
原標題:誰是曹原??
倫敦時間5月6日,中科大10級少年班校友、美國麻省理工學院“95後”博士生曹原分別以第一作者兼共同通訊作者、共同第一作者的身份在最新一期《自然》上連發兩篇石墨烯論文。
其實,早在2018年3月5日,《自然》就在網站連發兩篇以曹原爲第一作者的重磅石墨烯論文,並專門配發了賓夕法尼亞大學教授Eugene J。 Mele對這一重大突破的評述。曹原也因此成爲在《自然》上以第一作者身份發表論文的最年輕中國學者。
2018年12月18日,《自然》雜誌發佈了2018年度科學人物,位居榜首的正是曹原。許多報道將其稱爲“中國潛在的最年輕的諾貝爾獎獲得者”。
《自然》雜誌18日發佈了2018年度科學人物,位居榜首的是曹原(圖片來源:《自然》網站報道截圖)
今天,庫叔就帶你來了解一下這位少年英才的開掛人生,以及他做的研究有多厲害!
文 | 謝芳
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1
能在《自然》上發論文,到底有多厲害?
《自然》(Nature)
與《科學》(Science)、《細胞》(Cell)並稱
世界三大頂級科學期刊。
其中,《自然》與《科學》以
報道科學世界中的重大發現、重要突破爲使命,
是綜合性期刊,
《細胞》則注重生命科學研究領域,
曾刊登過許多重大生命科學研究進展。
能夠在三大期刊上發文,
是無數科學家孜孜以求的目標,
也是評選諾貝爾獎、競選院士、
展示大學和科研機構研究實力的重要依據。
世界三大頂級科學期刊
不過,
單是《自然》高達90%的斃稿率,
就足以讓人望而生畏。
從全球範圍內來看,
有能力在三大期刊發表文章的,
要麼是世界頂級實驗室,
要麼是世界頂級團隊,
要麼兩者兼具。
這些頂級隊伍的專家教授,
一邊爭分奪秒地做實驗,
一邊密切盯着競爭對手的動向,
打開電腦第一件事就是,
看三大期刊發表了哪些相關領域的論文,
如果沒有新的,就可以鬆口氣,
如果別人發表出來相關成果,
自己的研究差不多就前功盡棄了!
曾在《科學》發表論文、
後被普林斯頓大學聘爲終身教授的顏寧,
曾用“向死而生”描述這種狀況。
雖然近年來中國的科研實力突飛猛進,
在三大雜誌上的發文數量也有所增加,
但對大多數專家學者而言,
在《自然》上發文章依然高不可攀。
每年在《自然》上的發表數量也不超過20篇。
庫叔有位博士朋友更是直言:
一位學者如果在《自然》上發表一篇論文,
就可以在國內任何大學找到教職;
發表兩篇,就有資格
在“211”、“985”大學獲得正教授職位。
這絲毫不誇張。
作爲我國結構生物學領軍人物的施一公,
第一次在《自然》上發表論文
是在1999年,當時他32歲;
被稱爲我國“量子之父”的潘建偉院士,
27歲在《自然》上發表了第一篇論文;
……
曹原在21歲的年紀,
就作爲第一作者,
一次性發表了兩篇,
堪稱“神之操作”。
而且,
《自然》等不及排版就先行在網站上刊出,
並配以第三篇文章做評述,
可見其重視程度之深。
更厲害的是兩年後,
他在《自然》上再次連發兩篇,
介紹魔角石墨烯研究的新突破。
2
重磅論文,爲超導體30年之尋打開新思路
庫叔先來介紹2018年
引起轟動的2篇論文講了什麼。
曹原及其團隊發現,
將兩層石墨烯疊加在一起,
當轉角接近魔角(Magic angle)即1.1°、
同時溫度環境達到1.7K(-271℃)時,
它們會表現出非常規超導電性,
其屬性與銅氧化物(其結構往往難以調整)的高溫超導性類似。
看到這裏,大部分人都表示:看不懂!
其實,要想理解這兩篇論文的意義所在,
先要了解什麼是超導電性。
1911年,荷蘭物理學家海克·卡末林·昂內斯等人發現
當汞被冷卻至接近0K(-273℃)時,
電子可以通行無“阻”。
他們將這個“零電阻狀態”稱爲“超導電性”。
具有超導電性的材料有很強的應用價值,
因爲,
一般材料在導電過程中會消耗大量能量。
以傳輸電纜爲例,
從發電站到用戶的傳送過程中,
消耗損失的能量越小,
經濟效益越大。
超導體的出現,
使傳輸過程中的能量損耗幾乎爲零。
不過,
目前絕大多數超導體僅在接近0K(-273℃)溫度下工作,
維持低溫使超導體的應用成本顯著提升。
如果材料能在室溫下實現超導,
就能避開昂貴的冷卻費,
徹底改變能量傳輸、醫療掃描儀和運輸等相關領域的現狀。
既然室溫超導效益這麼好,
那找到合適的材料不就行了嗎?
沒這麼簡單,
目前,材料達到超導狀態的最高溫度約爲133K(-140ºC),
這種材料就是銅氧化物,
於20世紀80年代被發現。
30多年來,
在尋找室溫超導體的路上,
銅氧化物一直是物理學家關注的焦點。
但是,上文也提到了
銅氧化物的結構往往難以調整,
所以,很難通過實驗發現其實現超導的機制。
曹原及其團隊的貢獻就是,
在描述雙層石墨烯的電子密度與溫度關係時,
發現了與銅氧化物超導體相似的結果。
這爲物理學家發現銅氧化物超導機制
提供了一個前所未有的體系,
也爲尋找室溫下的超導材料提供了思路。
研究的另一亮點在於,
僅用純碳基的石墨烯來實現超導相,
也是人們期待已久的。
因爲石墨烯有各種奇特的性質,
比如高電導率、透光率、機械強度、穩定性等等,
都已不同程度地得到了應用,
唯獨超導性質遲遲未能實現。
有網友就此評價:
《自然》應該爲能刊發曹原團隊的文章而感到榮幸。
而2020年最新的兩篇論文意義依舊重大,
在第一篇論文中,
曹原等人致力於通過對扭轉角的控制,
將魔角特性推廣到其他二維研究體系,
以調諧和控制電子—電子相互作用的強度,
實現相似的物理行爲。
研究結果將爲探索
多平帶雙扭超晶格中扭角和電場控制的
相關物質相提供理論依據。
在另一篇論文中,
曹原等人致力於研究扭曲角的分佈信息。
他們以六方氮化硼(hBN)封裝的MATBG爲研究對象,
通過使用納米級針尖掃描超導量子干涉裝置(SQUID-on-tip)
獲得處於量子霍爾態的朗道能級的斷層圖像,
並繪製了局部θ變化圖。
這項研究爲相關物理現象的實現和應用提供了指導。
3
傳奇少年班,40年輸出人才無數
曹原取得如此卓越的成就,
得益於麻省理工學院的超強團隊,
同時也離不開中科大的悉心培育,
尤其是中科大少年班的“超常教育”。
[注:超常教育是指爲智力等方面超常的兒童創立的教育]
中國科學技術大學少年班最早由
諾貝爾物理獎獲得者李政道先生提出。
1975年5月,他在回國訪問時發現,
中國各行各業百廢待興,
科技人才嚴重斷檔,
於是通過周總理向毛主席建議:
“從全國選拔很少數,
約十三四歲左右的、有培養條件的少年,
到大學去培訓”,
培養一支“少而精的基礎科學工作隊伍”。
旨於從少年人才入手,
使全國各類人才培養步入正軌。
1978年3月8日,
中國科學技術大學創建了少年班,
主要招收尚未完成常規中學教育
但成績優異的青少年接受大學教育。
其目的是探索中國優秀人才培養的規律,
培養在科學技術等領域出類拔萃的優秀人才,
推動中國科技、教育和經濟建設事業的發展。
40年間,
中科大少年班輸出的卓越人才不勝枚舉,
遍佈社會各界。
首屆78級張亞勤,
曾任微軟副總裁,
現任百度總裁;
81級駱利羣,
38歲時出任美國斯坦福大學正教授,
2012年當選美國科學院院士;
85級杜江峯,
現爲中科院院士,
並任中國科大物理學院執行院長、教授;
87級莊小威,
34歲成爲哈佛大學化學與化學生物系、物理系雙聘正教授,
是當時美國科學院最年輕的華人院士,
曾獲美國跨領域最高獎項之一麥克阿瑟天才獎,
現爲中國科學院外籍院士;
96級尹希
未滿32歲晉升爲哈佛大學正教授,
打破華人記錄;
98級陳宇翱,
80後的中國科大教授,
曾獲歐洲物理學會“菲涅爾獎”;
……
根據中科大的統計,
截至2016年,
少年班共有超過3400名本科生畢業,
約90%考取國內外研究生。
畢業10年後的學生中,
有超過200人成爲國內外名校和科研機構教授,
另有55%投身於企業界、
19%活躍於金融界,
在世界500強任職者達到35%。
4
英雄出少年,中科大的傳奇人物!
畢業於中科大少年班的曹原,
延續着師哥師姐們的優秀,
也扛起了中科大的榮耀。
曹原出生於1996年,
今年才24歲。
他從小就是大人口中“別人家的孩子”:
初一隻讀了一個月,
初二讀了三個多月,
初三還沒待夠半年就參加了中考,
並順利考上了深圳耀華實驗學校。
耀華實驗學校以“超常教育”聞名,
主管該項目的是副校長朱源,
曾任教中國科大少年班20多年。
曹原對化學和物理非常感興趣,
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。
2010年,14歲的曹原以高考理科669分的成績
考入中科大少年班學院,
併入選 “嚴濟慈物理英才班”。
[注:“嚴濟慈物理英才班”
由中科大與中科院物理所合辦,
目標是培養未來活躍
在物理及相關研究領域的領軍人物。]
天才代出的中科大少年班競爭激烈,
曹原在其中卻如魚得水。
有同校的知乎網友回憶,
經常在各大教授的辦公室看到
胸前掛着鑰匙的曹原一臉認真地請教問題。
中科大教計算物理課的丁澤軍教授,
因教學嚴謹、苛刻,
讓許多學生“聞風喪膽”,
人稱“丁老怪”。
但這位“丁老怪”卻對曹原讚賞有加,
他曾表示曹原是“很聰明的傢伙”,
本科時僅用一個寒假的時間,
就完成並發表了計算機物理課程中相關研究成果的文章,
“真的是怪物啊!”
現在,丁教授每年上計算機物理課緒論時,
都會提到曹原。
中國科大物理學院曾長淦教授也證實——
“這是在我實驗室混過的娃。”
“(本科)在我們實驗室
還發了一篇PRB(物理學術期刊)理論文章。
當時就覺得他太厲害了。”
“他是如此的令人放心:
只要把題目交給他就行,
他一定能做出來!”
除了發表論文這一愛好,
曹原還喜歡攝像、天文,
經常在朋友圈發天文觀測的照片。
當然,曹原開掛的人生遠不止這些,
2012年,他被選爲首批交流生赴密歇根大學學習;
2013年6月,被牛津大學選中,
受邀做兩個月的科研實踐;
2014年,獲得中科大本科生最高榮譽獎
——郭沫若獎學金,
不久,
他在牛津大學實踐時的導師陳宇林教授
推薦其前往麻省理工學院深造,
目前,曹原在電氣工程與計算機科學系攻讀博士,
師從物理學家Pablo Jarillo-Herrero,
也就是本文提到的四篇石墨烯論文的通訊作者,
即項目總負責人。
一位與曹原熟悉的少年班學霸表示:
我們都覺得他可能成爲下一個莊小威,
這一點都不過分。
因爲他實在是太強了,
以前在科大就是傳說級的人物。
現在,
曹原並沒有停下他的腳步,
又投入到了新一輪的實驗與學習中。
未來,
中國更多的少年英才,
將繼續書寫自己的輝煌,
併爲祖國的繁榮做註腳。