曹原

风清扬斈 5个月前 (02-21) 网络资料 621 0

22岁曹原连发两篇《自然》:两层石墨烯叠成“魔角”可超导

1911年,荷兰物理学家Heike Kamerlingh Onnes 惊讶地发现,当汞被冷却至接近绝对零度(零下273.15摄氏度)时,电子可以通行无“阻”。他将这个“零电阻状态”称为“超导电性”。

从那之后,物理学家就不断地想要找到高温超导材料,以应用在日常生活之中。然而,大多数材料只有在接近绝对零度时,才会转变为超导体。即使是所谓的“高温”超导体也只是在相对意义上的:目前零电阻导电的最高温度约为-140ºC。如果有哪种材料能够在室温下表现出超导电性,就可以为能量传输、医用扫描仪和交通领域带来革命性的改变。

3月5日,物理学家在两篇发表在《自然》期刊的论文中指出,当两层石墨烯以一个“魔角”扭曲在一起时,就能在零电阻下导电。更确切地说,物理学家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。

其中一篇论文。两篇论文的第一作者均为在麻省理工就读的研究生Yuan Cao(曹原)。| 图片来源:Nature

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被称为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度之上导电。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。

魔术

石墨烯是一种以碳原子组成的六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜,是一种厚度只有一个碳原子大的二维材料。自石墨烯被发现以来,其诸多优异属性一直令人印象深刻:它比铁还要坚固,比铜的导电性还要好等等。之前,科学家就发现了石墨烯的超导电性,但那只发生在它与其它材料接触时,并且其超导行为可以用常规的超导电性解释。

石墨烯具有许多令人惊喜的性质,可以被应用在许多方面。| 图片来源:Image Guru

麻省理工的物理学家Pablo Jarillo-Herrero和他的团队在实验进行之初并不是为了研究超导电性。他们想要探索的是被称为魔角的方向性会如何影响石墨烯。根据理论家的预测,若二维材料不同层间的原子以特定的角度偏移,可能会诱发电子在薄片中通过,并以有趣的方式作用——然而他们并不知道究竟会是什么方式。

在双层薄片的实验设置中,他们立即就看见了意想不到的行为。首先,对石墨烯的导电性和其带电粒子密度的测量中发现,这种构造已成为一种莫特绝缘体(Mott insulator),这是一种拥有所有导电发生所必需成分的材料,但其粒子间的相互作用却会阻止电子的自由移动使得这一切无法发生。接下来,只需对其稍微施以微弱的电场,以在系统中增加一点额外的电荷载子,它就会成为超导体。

绝缘态的存在与超导电性如此接近是非常规超导体的标志。当研究人员绘制相图(纵轴为材料的电子密度,横轴为温度)时,他们看到了与铜氧化物非常相似的图案。这进一步证明了该材料或许拥有超导电性机制。

在扭转双层石墨烯中的旋转效应:a. 当双层石墨烯被扭曲时,上层薄片被旋转使得无法与下层薄片对齐,从而让元胞(unit cell)得到扩展(红色)。b. 对于小角度的旋转,就会出现所谓的“摩尔纹”(moiré pattern),其中局部堆叠的排列呈周期性变化。| 图片来源:Nature

最后,尽管石墨烯要在超低温下才会表现出超导电性, 但它仅需电子密度是常规超导体的万分之一,就能在相同温度下获得超导能力。在常规的超导体中,这个现象只在当振动允许电子形成一对一对时才出现,成对的电子会稳定它们的行进路径,使它们能在零电阻的情况下流动。但由于石墨烯中可用的电子是如此之少,因此它们可以成对的事实表明系统中的相互作用要比在常规超导体中发生的强的多。

黑暗中寻找光明

关于在非常规超导体中电子会如何相互作用,物理学家各持己见。Robinson说:“高温超导体的其中一个瓶颈是,到现在为止,我们都不知道究竟是什么将电子粘合成对的。”

Bascones表示,基于石墨烯系统要比铜氧化物更容易研究,因此它们将更有益于超导电性的探索。举个例子,为了探索铜氧化物中超导电性的根源,物理学家通常需要将材料暴露在极强的磁场中。为了探索铜氧化物的不同行为,而对它们施以的”调节”,意味着不同样本的研究量的不断加大;而对于石墨烯而言,物理学家只需要简单的调整电场就能达到同样地效果。

物理学家 Kamran Behnia 就表示,虽然他承认麻省理工团队的发现表明了石墨烯是超导体,并且很可能是不寻常的超导体,但他并不认为他们可以笃定地宣称自己看到了莫特绝缘态。

物理学家现在还无法肯定的说——这两种材料中的超导机制是一样的。诺奖得主 Robert Laughlin 表示,现在还尚不清楚在铜氧化物中所看到的所有行为是否都可以发生在石墨烯中。但我们却有理由在这些新的实验所呈现出的足够多的超导行为中找到庆祝的理由。

为了更好地理解铜氧化物,物理学家已经在黑暗之中已摸索了30年。而最新的发现,或许刚刚为物理学家点亮了一束光。 

天才95后! 14岁考上中科大, 18岁考麻省理工, 22岁成世界十大科 

 

世界上最遥远的距离,可能是——我本科还没毕业,而你已经读到了博士,还偷偷在国际期刊发表了一作!

 22岁的你在干什么?

 或许还没日没夜地在paper中挣扎

 喝着咖啡熬着夜

 期盼每周能约上几个朋友吃一顿幸福的火锅

 当大部分人还沉浸在“小确幸”中时

 有些“大神”已经提前完成了35岁前的规划

 正迈向下一个成功的十年

 

 

 

 近日,英国Nature(《自然》)杂志发布2018年度十大人物,位居榜首的竟然是一位22岁的中国男生——曹原。

 当然,今年同样榜上有名的还有因编译婴儿基因而饱受行业质疑的中国学者贺建奎。

 

 

 

 (贺建奎在香港)

 要知道,Nature可是享誉全球的科学期刊,毙稿率在90%以上,每年评选出的年度人物,都是能在科学界引起轰动的(包括争议巨大的人物)。

 对于一些科学从业者来说,能在Nature上发表一篇一作已经算是很厉害了。

 曹原到底是有多牛,才能让Nature评选为十大人物并且位居榜首?

 曹原作为96后,在周围朋友的眼中,完全可以用“神童”来定义。

 2010年,年仅14岁的他,考入中国科技大学少年班,即使是在这个从来不缺少“神童”的圈子中,他也要被尊称为一声“大神”。

 曹原2007年毕业于深圳耀华实验学校,只用了三年就完成了小学、初中和高中的所有课程。

 

 

 

 (曹原,图源:微博)

 高考总分669分,被中国科技大学少年班录取。但他自己仍然十分谦虚地说,自己并不特殊:

 “我只是跳过了中学里一些无趣的部分。”

 在少年班的日子里,曹原相比于其他的同学,更会为自己寻找提升的机会。

 

 

 

 (图源:微博)

 当他念到大二时,主动联系到曾长淦教授,希望能来到他的实验室学习。

 据澎湃新闻介绍,曾长淦实验室以实验物理研究为主,但曹原在曾长淦的指导下进行石墨烯超晶格等离激元的理论研究。

 不仅如此,曹原尝试自己从头开始编程,展现了超强的理论功底和计算机能力。

 “曹原”——至今都是中科大的一个传奇。

 

 

 

 据他同学介绍:

 “中科大物理学院有一位丁泽军教授,脾气古怪、治学严谨、要求极严,令许多学生闻风丧胆。

 偏偏曹原特别对丁教授胃口,在计算机物理课程中,曹原仅用了一个寒假就完成了相关论文,这是以前从未有过的”。

 不仅如此,本科期间他还获得了该校最高级别的奖学金——郭沫若学金。毕业后直接申请到了麻省理工大学,攻读博士学位。

 

 

 

 当然,曹原的读博生涯也并不都是一帆风顺,“天才”也会遇到阻碍和瓶颈。

 曹原刚到麻省理工时,有一门非常想要学习的课程,但因能力有限而错过。

 后来,他想尽办法通过电气工程系加入了Jarillo-Herrero的团队,来学习这一课程。

 他在麻省理工的导师说:

 “当他发现,他费心解读数月,令人激动的数据,只是一个巧合的时候,他什么也没说,只是埋头苦干。但仍然可以感到他并不开心。”

 

 

 

 (麻省理工大学)

 读博期间,曹原的才华发挥得更加淋漓尽致。

 以至于“曹原”的大名,在国内凝聚固态物理学界,无人不知无人不晓。

 原因是,他发表在国际学术期刊Nature上的两篇一作,开启了物理学的一个全新领域——石墨烯超导。

 

 

 

 

 

 

 (图源:nature)

 什么是石墨烯超导?

 据Nature官方介绍:

 (图源:nature官网)

 

 

 

 在我们现实世界中,时刻都会有“导体”的存在,没有导体,我们可能连手机也充不了。

 但即便是很好的“导体”在“超导体”的面前,仍旧是效率低下的。

 电流在“导体”中穿梭时会消耗大量的热,且速度也会减弱。但“超导体”不一样,它可以节省更多能源。

 尤其是像磁悬浮列车和一些大型供电系统,如果能选用“超导体”材料,那么能源消耗能减少到最低。

 

 

 

 可是,“超导体”有一个非常局限的地方,就是它对温度有严格的要求。

 一些材料只能在大约摄氏负269度(华氏负452.2度)下才能变成超导,使用这种材料是非常昂贵的,而且完全不实际。

 在曹原的研究中,石墨烯也有可能成为“超导体”,这就意味着,它可以让电子来回快速穿梭,而让电阻无限趋近于零。速度之快,效率之高,非常罕见。

 

 

 

 虽然在以前,也有很多科学家对“石墨烯”材料产生过类似想法,但是实验效果并不好。

 直到今年3月,这位来自中国的22岁少年曹原,成功实现了石墨烯“超导实验”,解决了困扰人类107年的世纪难题。

 

 

 

 (图源:曹原MIT主页)

 难怪,今年Nature杂志将曹原放在了榜首,就连他的本科导师也透露说:

 “如今,曹原的名字已经在国内凝聚固态物理学界无人不晓,甚至全球高校都已经虚位以待,都在用博士后职位、甚至教职来吸引他。”

 每年年底,Nature期刊都会遴选出十位对科学界产生重大影响的人士,主编Monastersky表示:

 “这十大人物的故事浓缩了2018年最令人难忘记的重大科学事件,这些事件迫使我们思考,我们究竟是谁,从哪里来,以及要去哪里的难题。”

 除了“天才少年”曹原外,还有一位中国人也榜上有名,那就是引起世界轰动的贺建奎。

 Nature将贺建奎称为——CRISPR妄为者(基因编辑技术)。

 

 

 

 (图源: Mark Schiefelbein)

 今年11月,贺建奎宣布改变了婴儿的基因组吗,天生就可以抵抗HIV。

 然而,社会各界对这一项违反伦理的实验,予以排山倒海般的谴责。指责他背弃伦理规范,将双胞胎暴露于未知的风险之中。

 贸然的基因编辑很可能导致双生儿出生后,产生其他未知的疾病。

 贺建奎也迅速的消失在公众视野,对基因编辑问题保持缄默。但他的科学实验,却在社会上掀起了一场“超级风暴”。

 

 

 

 有意思的是,2017年,Nature也曾将一位华裔基因编辑技术创始人选入了年度十大人物,而且位居榜首。

 他就是华人生物学家David Ruchien Liu,Nature杂志曾称:“这位华裔生物学家开发出的全新基因编辑工具有望拯救生命”。

 

 

 

 没想到,仅过了一年,基因编辑技术备受成为“洪水猛兽”。

 都说“读博”生涯令人头秃,曹原除了学业之外,最喜欢鼓捣东西,他的桌面上十分凌乱,都是一些他鼓捣过的零件。

 “仰望星空”是他的第二大爱好,在他的朋友圈中,经常会看到他自己拍摄的天文景观。

 

 

 

 在仰望星空的同时,“天才”曹原也看到了脚下——

 人类花费了几千年才从神话的朦胧走向理性的澄明,这种精神不能被轻易摧毁。

 或许,对于科学来说,它最大的敌人并不是“无知”,而是一种已经掌握”科学“的幻觉。

 天才少年“曹原”也好,无数的科学工作者也罢,在这条路上,人类还有很长的路要走。

 来源:转载自北美留学生日报

 

曹原有多牛?


 

导读

世界顶尖学术期刊英国《自然》杂志18日发布了2018年度科学人物,中国学生曹原登上榜首,网友刷屏点赞...

12月18日

世界顶尖学术期刊

英国《自然》杂志

发布2018年度科学人物

中国学生曹原位居榜首

《自然》杂志发布2018年度科学人物,中国95后位居榜首

世界顶尖学术期刊英国《自然》杂志18日发布了2018年度科学人物,位居榜首的是1996年出生、在美国麻省理工学院攻读博士的中国学生曹原。

曹原发现了让石墨烯实现超导的方法,这开创了物理学一个全新的研究领域,有望大大提高能源利用效率与传输效率,这份杂志将曹原称作是“石墨烯的驾驭者”。

今年3月5日,《自然》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。

每年《自然》十大人物的封面图片都是一个巨大的数字“10”,具体样式和底纹都会融入当年的科技热点进行设计,今年的封面图片明显指向曹原的成果。

数字“10”中的“0”被处理成一个正六边形,宛如构成石墨烯的碳环结构,整个数字“10”则点出了赋予石墨烯超导能力的“魔角”。

天才少年曹原:“我并不特别”

曹原是许多人眼中的天才,2007年,曹原入读深圳耀华实验学校,并在此后用了三年时间读完了小学六年级、初中和高中的全部课程,于2010年以高分考入了中国科学技术大学少年班,年仅14岁。4年后毕业,18岁时前往美国攻读博士。

在中科大读书时的曹原。图自:中科大新创基金会

在《自然》杂志为曹原撰写的特稿文章中,曹原承认自己的情况并不常见,但说自己并不特别。

曹原的导师和同事是如何评价他的呢?《自然》杂志称,曹原在麻省理工的导师认为曹原在内心深处是个"修补匠",喜欢把东西拆开重装。“每次我进他的办公室,里面都乱糟糟的,桌上堆满了计算机和自制望远镜的零件。”

尽管年纪轻轻、又有些害羞,但同事们都说曹原的坚持不懈体现了他的成熟。有一次,曹原花了六个月时间研究一份看似富有突破性的数据,最终却发现那不过是实验设置中的巧合。“他有些沮丧,但他只是撸起袖子继续干下去。”他的导师说。

对于自己的“学霸”成长经历和所取得的成就,曹原保持着平和的心态。他此前在接受采访时曾表示,工作之余,他会通过天文摄影进行自我调节。“仰望星空总是能让我安静下来。天文摄影涉及包括光学、精密机械、电子电路、嵌入式程序等在内的多方面科学技术,折腾这些东西,都是我的兴趣。”

曹原的天文摄影作品。图自:中科大新创基金会

未来的科研生涯将会走向何方,曹原说自己并不知道。曹原在接受《自然》杂志采访时只是说:“对于石墨烯的‘魔角’,我们要做的事情还有很多。”

而他的本科导师,中国科学技术大学物理学家曾长淦表示,世界各地已经有多所大学向自己的高足抛出了橄榄枝,不仅有博士后的职位,而且还有教职。

“在中国的凝聚态物理学家中,每个人都知道他的名字。”曾长淦说。

《自然》年度十大科学人物,这些中国科学家曾入选

《自然》评选全球年度十大科学人物已是传统。近年来入选的中国籍科学家并不鲜见。2017年,中国物理学家、中国科学院院士潘建伟榜上有名。

2017年,《自然》杂志报道潘建伟的特稿截图

《自然》杂志以“量子之父”为题报道了潘建伟。报道开头这样写道:“在中国,有人称他为‘量子之父’。对于这一称呼,潘建伟当之无愧。在他的带领下,中国成为远距离量子通信技术的领导者。”

2013年,中国禽流感专家陈化兰入选。陈化兰的获选理由是:2013年,为中国应对H7N9禽流感疫情做出了突出贡献。《自然》杂志将她称为“战斗在前线的‘流感侦探’”。

2013年《自然》杂志报道陈化兰的特稿截图

2012年,青年科学家、时任中国华大基因CEO的王俊上榜。《自然》杂志援引哈佛大学遗传学家乔治洽奇的评价说,1999年,华大基因支持了人类基因组计划的1%,而在2012年,华大的基因测序能力,让其在世界基因测序上的贡献超出了50%。

2012年,《自然》杂志报道王俊的特稿截图

网友刷屏点赞:别人家的孩子

对于曹原登上《自然》年度十大科学人物榜首,网友刷屏点赞:

不少96年的同学也表达了淡淡的忧伤:

还有网友被曹原的优秀激励:

网友的关注点渐渐转移到了头发上...

还有网友留下了一个问题,他有没有女朋友...

为曹原的优秀点个“好看”

来源:中国青年报(ID:zqbcyol 整理编辑:陈垠杉),综自:《自然》杂志官网、中国日报网、新华社、澎湃新闻、红星新闻

 

这位“天才少年”解决了困扰世界物理学家107年的难题

曹原,从深圳走出的“石墨烯驾驭者”

版次:A03来源:深圳商报    2019年02月21日

曹原(左)和他在麻省理工的导师帕布罗·埃雷罗教授。

深圳商报记者 吴吉 袁斯茹

近日,“翟天临学术不端”事件持续发酵,引发了公众对于中国科研能力的反思,2018年末的一则新闻也因此重新进入了人们视野。在世界顶尖学术期刊英国《自然》杂志发布的“2018年度十大科学人物”中,位居榜首的是1996年出生、在美国麻省理工学院攻读博士的中国学生曹原。而这位被《自然》杂志称为“石墨烯驾驭者”的“天才少年”,是在深圳度过了他“非主流”的青少年时期。曹原在国内的最后一次公开亮相,是2018年12月底在中国科技大学与学弟学妹交流。谈及自己研究的成果,他表示:“未来要做的还有很多”。

“每个人都知道他的名字”

每年《自然》十大人物的封面图片都是一个巨大的数字“10”,具体样式和底纹都会融入当年的科技热点进行设计,今年的封面图片明显指向曹原的成果。数字“10”中的“0”被处理成一个正六边形,宛如构成石墨烯的碳环结构,整个数字“10”则点出了赋予石墨烯超导能力的“魔角”。很显然,在《自然》看来,曹原及其团队的研究成果具有很高的科学价值。

为什么向来以“严苛”著名的《自然》期刊,会对这位年轻的学者如此青睐有加?2018年3月5日,《自然》发表了两篇以曹原为第一作者的重磅论文,这是该杂志创刊149年历史上的首次。《自然》杂志在论述曹原入选年度人物的理由时表示:“在他的论文当中,他发现了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。这一发现轰动国际学界,直接开辟了凝聚态物理的一块新领域,让无数科学家展开研究探索。”物理界认为,曹原此举解决了困扰世界物理学家107年的难题,取得了石墨烯超导领域的重大突破。

值得一提的是,英国物理学会主办的《物理世界》杂志近日也公布了由其评出的“2018年十大突破”,曹原及其团队的这一研究依然位居榜首,被认为在量子计算等领域有巨大应用潜力。《物理世界》杂志发布的公报认为,这种“魔角”石墨烯体系的发现,开创了“转角电子学”这一全新领域。

现在的曹原有多炙手可热?据《自然》特稿透露,曹原在中国科技大学读本科时的指导老师、中科大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”。

在深圳度过“非主流”的青少年期

《自然》提到,“曹原的青少年时期过得相当非主流”,而他那段“非主流”的日子留下了深刻的“深圳烙印”。

曹原出生在四川成都,3岁时跟随父母来到深圳。2007年9月,曹原从深圳景秀小学被选拔进入耀华实验学校。初来耀华的曹原,在老师眼里就是一个“混世魔王”,课桌、椅子、黑板、投影仪、电脑都没能逃过他的“毒手”。但独具慧眼的耀华实验学校看到了曹原的巨大潜力,当即决定送他进少年班。学校组建了最优秀的教师团队,免除了一切学费,对曹原进行“超常教育”。就这样,曹原的探究精神在耀华得到“加倍呵护”。他用三年的时间完成了小学六年级、初中和高中的课程。2010年,曹原提前参加高考,以669分的高考成绩考入蜚声中外的中国科学技术大学少年班学院,并入选“严济慈物理英才班”。

而曹原的“旋风”同样刮到了他大学时期的母校——中国科技大学。2018年12月底,曹原回到中科大和学弟学妹们分享了自己成功的心得。他说,作为一名实验者,要愿意学习新东西,尝试新想法,并在实验室承担起责任。当努力不起作用时不要难过,因为这再正常不过了。曹原透露,在美国麻省理工学院他们小组的实验,30%的成功率已经足以让人欣慰了。面对实验的失败,曹原推荐用美食和睡眠来为自己减压,他建议学弟学妹找到一两个爱好。

2014年,曹原从中科大毕业时获得该校本科生最高荣誉奖——郭沫若奖学金。之后,他前往美国攻读博士学位。他在麻省理工的导师帕布罗·埃雷罗教授向《自然》透露了曹原的一个特质——坚持不懈。有一次,他长达六个月的研究被证明只是偶然,价值不大,“他有些沮丧,但依然打起精神继续干”。

“要做的事情还有很多”

曹原在麻省理工的个人网页已经许久没有更新,最后的内容停在了2018年3月在《自然》发表的论文。发表论文已近一年,曹原在全世界掀起的“飓风”还在继续。

《自然》上的论文发表前夕,当曹原在麻省理工的导师帕布罗·埃雷罗教授登上美国物理学会三月会议(March meeting)的演讲台时,台下的科学家早已把会场挤得水泄不通,媒体描述帕布罗·埃雷罗教授像一个“摇滚巨星”。主办方只能在隔壁大厅进行现场直播,而大厅里也早已站满了人。“我知道我们有重要内容要讲,”帕布罗·埃雷罗教授说,“但那场面有点疯狂。”有些科学家甚至等不及他把整个研究成果讲完,就迫不及待地冲回了自己的实验室,想要验证他们的研究是否正确。

也难怪科学界会为之疯狂,曹原及其团队的研究成果被科学界认为“有可能彻底革新诸多现代技术领域,包括交通和计算”。在曹原的论文发表后,他的研究成果陆续得到了其他团队的印证。据2019年1月出版的《自然》新闻表示,至少有三个团队已重复出他们研究的部分或全部结果。

业界普遍认为,曹原及其团队的研究成果推开了一扇全新的窗口,此后会有大量科研成果随之不断涌现。《自然》的文章说:“麻省理工团队的文章发表后,出现了几十篇理论论文,都蕴含了一条关键信息:‘这个体系可能包含了各种惊喜,就让我们拭目以待吧’。”

正如曹原所说,“对于石墨烯的‘魔角’,我们要做的事情还有很多。”

 

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