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石墨烯超导突破!少年班小鲜肉一天两登《自然》

发表时间:2018年03月06日 来源:中国科学技术大学新创校友基金会

3月6日,《自然》连刊两文报道石墨烯超导重大发现,第一作者均为中国科大10级少年班校友曹原。


2018年3月5日《自然》以背靠背长文形式在网站刊登了重大研究成果,甚至来不及排版,文章还配以第三篇文章作为评述前述成果。这或许是曹原与权威学术期刊《自然》赠给两天后年满40周岁的中国科大少年班的厚礼!



新创校友基金会与少年班校友会向曹原祝贺他的成果。曹原表示“能做出这个级别的成果我也很激动,以后一定会再接再厉。我很感激母校以及少年班对我的教育和指导,热烈祝贺中国科大少年班成立40年!”。曹原还说“说一下我对师弟师妹的建议吧,如果有志向做实验方向的我建议在本科期间提高自己的动手能力。物理直觉很重要,模电数电和程序设计如果能学好的话对将来的实验会有很大帮助。希望师弟师妹们都能到自己的梦校从事理想的研究!”


曹原曾荣获中国科大本科生最高荣誉奖——郭沫若奖,是中国科大-牛津暑期交流项目首批学生,并曾荣获“海外交流奖学金”。这些奖项均由中国科大新创校友基金会资助。新创基金会为过去11年资助激励的曹原、何江(0508郭沫若奖,哈佛毕业典礼首位中国演讲人)等青年才俊深感自豪!

谁是曹原?老怪眼中的小怪物



曹原近照(来自其Facebook主页)。


曹原,1996年出生,籍贯四川成都。2010年,14岁的曹原从深圳耀华实验学校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”。


从中学时代起,曹原即受益于“超常教育”。据当时的媒体报道:曹原2007年到深圳耀华实验学校读书,该校主管超常教育的副校长为朱源。后者曾任教中国科大少年班20多年。曹原用了三年的时间读完小学六年级、初中和高中的课程。高考总分为理科669分。


天才代出的中国科大竞争激烈,少年班面对的是一大批杀手名捕。但是曹原却如鱼得水。曹原在《计算物理》课遇到令人闻风丧胆的杀手丁泽军教授(江湖上人称丁老怪)。丁老怪向新创校友基金会回忆曹原时介绍“很聪明的家伙!本科时计算物理课程中的课题研究成果发了一篇文章,J. Mag. Mag. Mater. 355 (2014) 93-99.没花多少时间,也就是一个寒假就做完了”。当记者调侃“真的是怪物啊!”本人也被认为是老怪的丁泽军教授肯定“是的,我非常惊奇,之后每年计算物理课绪论时,我都要提到这些以往的神人。”


中国科大物理学院教授曾长淦也证实“这是在我实验室混过的娃”。曾长淦回忆“(本科)在我们实验室还发了一篇PRB理论文章呢。当时就觉得他太厉害了”。曾教授接受新创基金会采访回忆起曹原:“我实验室出了很多位郭沫若奖,但曹原在其中还是显得卓尔不群,非常特别。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、方向与写作上我可给他指导,但在技术细节上无法手把手教他。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! 聪明人很多,曹原却还主动。计算遇到困难,他永远会想尝试其他的软件方法。曹原爱好广泛,也喜欢计算机,什么都能捣腾,朋友圈经常发天文观测的照片。才气过人的天才往往持才傲物,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。去年他曾回科大访问,提到了研究的进展。看到成果发表。我很高兴!”



曹原的天文摄影作品(本人提供)。


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。

中国科大,给天才土壤



曹原近照(来自其MIT主页)。


曹原在石墨烯等前沿领域的成果,很难说完全源自母校中国科大的培育。但中国科大确实为他创造了一切条件:2012年,曹原被中国科大作为密歇根大学首批交流生派出;2013年,中国科大教务处与新创基金会联合发起“顶尖海外交流奖学金”。曹原又被作为首批学生派出。而在当时,出于公平性考虑,中国科大不得连续资助一位学生的多个海外交流计划。时任教务处处长蒋一教授在2013年5月22日前后多次致信、致电新创校友基金会,请求资助曹原。蒋一教授在当时的Email中请求新创基金会“曹原同学是一个非常优秀的学生,这次他被牛津大学选中去做两个月的科研实践,教务处正式申请从校友捐赠的资助学生海外交流的捐款中资助他。具体资助经费为:每个月850英镑,共两个月计850X2=1700英镑,以及往返的飞机票(具体金额尚不确定)。望能够得到批准。” 6月,中国科大即与教务处协调,资助了曹原在牛津大学住宿账单约2024英镑。


2012年,中国科大新创校友基金会发起“再战上马,捐赠海外交流”计划。当时的计划如此描述中国科大国际化的重要性“中国科大国际化继续加速!把最杰出的本科生送往国际顶尖名校一学期学习,师从一流导师,将为他们进入国际学科前沿打下基础,可能改变科大学生一生,也将为提升科大国际知名度,开拓学生视野。” 曹原为该计划写了一篇短文《 曹原:安娜堡的回忆》,回忆了在美国的交流学习生活,希望中国科大校友能捐赠支持“海外交流”计划,“我希望以后有更多的学弟学妹能有这种宝贵的机会。” 曹原的成果或许能让“海外交流”的捐赠校友们感到欣慰。



曹原荣获郭沫若奖学金时的照片(右二)。


2014年,曹原荣获中国科大本科生最高荣誉奖——郭沫若奖学金。该奖由新创校友基金会资助。



2014年5月17日、18日,曹原代表中国科大严济慈实验班学生参加在清华大学举行的国家“基础学科拔尖学生培养试验计划”(以下简称“拔尖计划”)学生学术交流会。



曹原等中国科大第33届郭沫若奖得主与时任校长侯建国校长合影。郭沫若奖2007年后由新创基金会出资80%。新创基金会资助的郭奖得主走出了何江(0508,哈佛毕业典礼首位演讲的中国人)等青年才俊。

MIT石墨烯超导重大发现!


范德华异质结构是二元构筑单元垂直堆叠而成,在二维材料丰富的功能性基础上,可以实现更多的工程化操纵。其中一个方向,就是通过控制层间扭曲角度,来调控范德华异质结的电子结构。


前述两篇重磅论文,通讯作者为麻省理工学院(MIT)的Pablo Jarillo-Herrero教授。 Jarillo-Herrero和曹原等人团队在魔角扭曲的双层石墨烯中发现新的电子态,可以简单实现绝缘体到超导体的转变,打开了非常规超导体研究的大门。


Jarillo-Herrero与曹原等人发现,堆叠的双层石墨烯中,电学行为对原子排列非常敏感,影响层间电子移动。对于物理学家而言,电学行为通常是由能量主导。而在这项研究中,单层石墨烯内原子间电子移动有关的能量在eV量级,而在层间的电子移动涉及的能量量级最多在几百meV。


要想解开这个谜题,对称性是关键!


对于结构高度有序的单层石墨烯而言,电学性能取决于对称性。研究人员制备了旋转扭曲的双层石墨烯,通过电子之间的相互作用来控制整个体系的电子态。旋转产生的位错使石墨烯层中的电子能带结构不再对齐,单胞变大。


这项研究成果,为超导研究带来了新思路,也为全新电学性能的探索和工程化提供了良好的研究平台。(新闻来源:本文由中国科大新创校友基金会与少年班校友会联合发布。《 MIT石墨烯超导重大发现!》章节来自《纳米人》微信公众号。)

Pablo Jarillo-Herrero教授与曹原的论文

1. Yuan Cao, P. Jarillo-Herrero et al. Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices. Nature 2018.

2. Yuan Cao, P. Jarillo-Herrero et al. Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices. Nature 2018.

3. Eugene J. Mele. Novel electronic states seen in graphene. Nature 2018. (本文为评论Jarillo-Herrero教授与曹原的文章)




曹原荣获郭沫若奖时与中国科大时任校长侯建国校长在一起。



曹原荣获郭沫若奖的合影:中国科大校长侯建国院士亲切会见其中学领导与家长。

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