石墨烯超導突破!少年班小鮮肉一天兩登《自然》

【中國科大新創校友基金會(ID:USTCIF),全球最活躍的科大校友組織,實時發佈科大要聞與校友資訊。】

3月6日,《自然》連刊兩文報道石墨烯超導重大發現,第一作者均為中國科大10級少年班校友曹原。

2018年3月5日《自然》以背靠背長文形式在網站刊登了重大研究成果,甚至來不及排版,文章還配以第三篇文章作為評述前述成果。這或許是曹原與權威學術期刊《自然》贈給兩天後年滿40週歲的中國科大少年班的厚禮!

石墨烯超導突破!少年班小鮮肉一天兩登《自然》

新創校友基金會與少年班校友會向曹原祝賀他的成果。曹原表示“能做出這個級別的成果我也很激動,以後一定會再接再厲。我很感激母校以及少年班對我的教育和指導,熱烈祝賀中國科大少年班成立40年!”。曹原還說“說一下我對師弟師妹的建議吧,如果有志向做實驗方向的我建議在本科期間提高自己的動手能力。物理直覺很重要,模電數電和程序設計如果能學好的話對將來的實驗會有很大幫助。希望師弟師妹們都能到自己的夢校從事理想的研究!”

曹原曾榮獲中國科大本科生最高榮譽獎——郭沫若獎,是中國科大-牛津暑期交流項目首批學生,並曾榮獲“海外交流獎學金”。這些獎項均由中國科大新創校友基金會資助。新創基金會為過去11年資助激勵的曹原、何江(0508郭沫若獎,哈佛畢業典禮首位中國演講人)等青年才俊深感自豪!

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誰是曹原?老怪眼中的小怪物

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曹原近照(來自其Facebook主頁)。

曹原,1996年出生,籍貫四川成都。2010年,14歲的曹原從深圳耀華實驗學校考入蜚聲中外的中國科學技術大學少年班學院,併入選“嚴濟慈物理英才班”。

從中學時代起,曹原即受益於“超常教育”。據當時的媒體報道:曹原2007年到深圳耀華實驗學校讀書,該校主管超常教育的副校長為朱源。後者曾任教中國科大少年班20多年。曹原用了三年的時間讀完小學六年級、初中和高中的課程。高考總分為理科669分。

天才代出的中國科大競爭激烈,少年班面對的是一大批殺手名捕。但是曹原卻如魚得水。曹原在《計算物理》課遇到令人聞風喪膽的殺手丁澤軍教授(江湖上人稱丁老怪)。丁老怪向新創校友基金會回憶曹原時介紹“很聰明的傢伙!本科時計算物理課程中的課題研究成果發了一篇文章,J. Mag. Mag. Mater. 355 (2014) 93-99.沒花多少時間,也就是一個寒假就做完了”。當記者調侃“真的是怪物啊!”本人也被認為是老怪的丁澤軍教授肯定“是的,我非常驚奇,之後每年計算物理課緒論時,我都要提到這些以往的神人。”

中國科大物理學院教授曾長淦也證實“這是在我實驗室混過的娃”。曾長淦回憶“(本科)在我們實驗室還發了一篇PRB理論文章呢。當時就覺得他太厲害了”。曾教授接受新創基金會採訪回憶起曹原:“我實驗室出了很多位郭沫若獎,但曹原在其中還是顯得卓爾不群,非常特別。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、方向與寫作上我可給他指導,但在技術細節上無法手把手教他。曹原是如此的令人放心:只要把題目交給他就行,他一定能做出來! 聰明人很多,曹原卻還主動。計算遇到困難,他永遠會想嘗試其他的軟件方法。曹原愛好廣泛,也喜歡計算機,什麼都能搗騰,朋友圈經常發天文觀測的照片。才氣過人的天才往往持才傲物,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。去年他曾回科大訪問,提到了研究的進展。看到成果發表。我很高興!”

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曹原的天文攝影作品(本人提供)。

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。

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中國科大,給天才土壤

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曹原近照(來自其MIT主頁)。

曹原在石墨烯等前沿領域的成果,很難說完全源自母校中國科大的培育。但中國科大確實為他創造了一切條件:2012年,曹原被中國科大作為密歇根大學首批交流生派出;2013年,中國科大教務處與新創基金會聯合發起“頂尖海外交流獎學金”。曹原又被作為首批學生派出。而在當時,出於公平性考慮,中國科大不得連續資助一位學生的多個海外交流計劃。時任教務處處長蔣一教授在2013年5月22日前後多次致信、致電新創校友基金會,請求資助曹原。蔣一教授在當時的Email中請求新創基金會“曹原同學是一個非常優秀的學生,這次他被牛津大學選中去做兩個月的科研實踐,教務處正式申請從校友捐贈的資助學生海外交流的捐款中資助他。具體資助經費為:每個月850英鎊,共兩個月計850X2=1700英鎊,以及往返的飛機票(具體金額尚不確定)。望能夠得到批准。” 6月,中國科大即與教務處協調,資助了曹原在牛津大學住宿賬單約2024英鎊。

2012年,中國科大新創校友基金會發起“再戰上馬,捐贈海外交流”計劃。當時的計劃如此描述中國科大國際化的重要性“中國科大國際化繼續加速!把最傑出的本科生送往國際頂尖名校一學期學習,師從一流導師,將為他們進入國際學科前沿打下基礎,可能改變科大學生一生,也將為提升科大國際知名度,開拓學生視野。” 曹原為該計劃寫了一篇短文《 曹原:安娜堡的回憶》,回憶了在美國的交流學習生活,希望中國科大校友能捐贈支持“海外交流”計劃,“我希望以後有更多的學弟學妹能有這種寶貴的機會。” 曹原的成果或許能讓“海外交流”的捐贈校友們感到欣慰。《 曹原:安娜堡的回憶》(文章鏈接:https://www.ustcif.org/global/files/File/News/AlumniNewsletter/Marathon12/Team/CaoYuan.html )

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曹原榮獲郭沫若獎學金時的照片(右二)

2014年,曹原榮獲中國科大本科生最高榮譽獎——郭沫若獎學金。該獎由新創校友基金會資助。

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2014年5月17日、18日,曹原代表中國科大嚴濟慈實驗班學生參加在清華大學舉行的國家“基礎學科拔尖學生培養試驗計劃”(以下簡稱“拔尖計劃”)學生學術交流會。

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曹原等中國科大第33屆郭沫若獎得主與時任校長侯建國校長合影(點擊圖片查看大圖)。郭沫若獎2007年後由新創基金會出資80%。新創基金會資助的郭獎得主走出了何江(0508,哈佛畢業典禮首位演講的中國人)等青年才俊。

MIT石墨烯超導重大發現!

範德華異質結構是二元構築單元垂直堆疊而成,在二維材料豐富的功能性基礎上,可以實現更多的工程化操縱。其中一個方向,就是通過控制層間扭曲角度,來調控範德華異質結的電子結構。

前述兩篇重磅論文,通訊作者為麻省理工學院(MIT)的Pablo Jarillo-Herrero教授。 Jarillo-Herrero和曹原等人團隊在魔角扭曲的雙層石墨烯中發現新的電子態,可以簡單實現絕緣體到超導體的轉變,打開了非常規超導體研究的大門。

Jarillo-Herrero與曹原等人發現,堆疊的雙層石墨烯中,電學行為對原子排列非常敏感,影響層間電子移動。對於物理學家而言,電學行為通常是由能量主導。而在這項研究中,單層石墨烯內原子間電子移動有關的能量在eV量級,而在層間的電子移動涉及的能量量級最多在幾百meV。

要想解開這個謎題,對稱性是關鍵!

對於結構高度有序的單層石墨烯而言,電學性能取決於對稱性。研究人員製備了旋轉扭曲的雙層石墨烯,通過電子之間的相互作用來控制整個體系的電子態。旋轉產生的位錯使石墨烯層中的電子能帶結構不再對齊,單胞變大。

這項研究成果,為超導研究帶來了新思路,也為全新電學性能的探索和工程化提供了良好的研究平臺。(新聞來源:本文由中國科大新創校友基金會與少年班校友會聯合發佈。《 MIT石墨烯超導重大發現!》章節來自《納米人》微信公眾號。)

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Pablo Jarillo-Herrero教授與曹原的論文

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. (本文為評論Jarillo-Herrero教授與曹原的文章)

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曹原榮獲郭沫若獎時與中國科大時任校長侯建國校長在一起。(中國科大學工部提供)。

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曹原榮獲郭沫若獎的合影:中國科大校長侯建國院士親切會見其中學領導與家長。(中國科大學工部提供)。

【轉載請註明中國科大新創校友基金會。瞭解更多,請移步官方微信(ID:USTCIF)與網站(www.ustcif.org)。】


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