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23岁中国天才科学家,解决百年物理难题,现为美国麻省理工博士生

23岁中国天才科学家,解决百年物理难题,现为美国麻省理工博士生
2019年09月24日 22:33 新浪网 作者 教育思享

《自然》,全称为《英国自然出版集团出版周刊》,在1869年创刊于英国,自成立以来始终如一地报道和评论着全球科技领域里最重要的科学技术突破,在科学界享有重要地位。

  2018年3月5日,《自然》同时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。曹原也成了以“第一作者”身份在该杂志上发表论文的最年轻的中国学者。

  2018年12月18日,国际科学周刊《自然》公布了年度十大人物,榜单囊括了本年度最重要的科学发现,而中国天才曹原,位于榜首。

  23岁中国天才科学家,解决百年物理难题,现为美国麻省理工博士生

  曹原,如何成为曹原?

  1996年出生于四川成都的曹原,从3岁起就跟着父母一起到深圳生活。2007年9月,曹原从景秀小学考入耀华实验学校小六(2)超常班,接受超常教育。

  当时学校将曹原、王嘉乐和范紫藜三个天才少年放在一起,编了一个小小班,就叫做“天才班”,可见当时的曹原有多么出色。

  耀华实验中学特意腾出一间校长办公室,安排6位老师专门给他们授课,这样小班授课,以学生自学为主、老师为辅的教学方式,显得非常新颖独特。

  因为老师和父母的支持,曹原在学校和家里都有实验室,而且他特别喜欢摆弄电子产品,经常去深圳的电子市场消磨整个下午去买很多电子元件,然后在家里拆了装,装了拆地反复研究。曹原最喜欢看《科学探索者》,这套书被他翻了很多遍。

  在耀华实验中学的悉心培育下,这三位天才少年不负众望,只用两年时间就完成了初高中课程,提前四年就参加高考,而且高考成绩很不错。

  其中年仅14岁的曹原,高考669分进入中科大少年班学院,入选“严济慈物理英才班”,而王嘉乐和范紫藜也考进南方科技大学。

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  曹原的研究成果是什么?

  石墨烯,是自然界里一种由碳原子组成六角形蜂巢晶格状的二维碳纳米材料。石墨烯一层层叠起来就是石墨,而厚1毫米的石墨甚至包含300万层石墨烯。

当我们用铅笔在纸上轻轻划过的时候,留下的痕迹就可能是几层石墨烯。

  曹原是以两篇关于石墨烯材料的重磅论文获奖,他在论文中提到:“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。”他的这一发现轰动了国际物理学界,甚至开辟了凝聚态物理学的一块新领域,让无数科学家积极踊跃地展开了研究探索。

1、曹原和他的研究团队,在魔角扭曲的双层石墨烯中发现了新的电子态,可以比较简单地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。2、扭曲的双层石墨烯会产生两种全新的电子态。一种电子态是绝缘体态,来源于电子之间的强排斥作用;而另一种是超导态,来源于电子之间的强吸引作用而产生零电阻。3、当旋转角度小到魔角(也就是1.05度)时,扭曲的双层石墨烯中垂直堆叠的原子区域会形成窄电子能带,电子相互作用效应增强,从而产生非导电的绝缘态。而在绝缘态情况下加入少量电荷载流子,就可以成功转变为超导态。

  曹原团队的研究成果,为全世界的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理论基础。

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  曹原解决了什么问题?

  我们都知道:电,在从发电站到社会、学校和家庭的传送中,会有非常巨大的能量传输损耗。在1911年,荷兰的物理学家海克·卡姆林·昂内斯发现:当汞被冷却至接近绝对零度,也就是-273摄氏度时,电子就可以通行无阻,将能源损耗降到最低。

  但是想要实现-273摄氏度的冷却成本和传输环境,难度高得令人绝望。因此全世界物理科学家们,近百年以来都在通过不断的试验和创新,去寻找低成本超导材料。

  直到1980年,全世界的科学家都认为只有在绝对零度条件下才能实现“低温超导性”;而在1980年,科学家发现铜氧化物具有在133开尔文,也就是-140摄氏度实现“高温超导性”的特性;1987年日本鹿儿岛大学工学部发现由镧、锶、铜、氧组成的陶瓷材料在287开尔文,也就是14摄氏度下存在超导迹象。

  高温超导体的巨大突破,以液态氮代替液态氦作超导制冷剂获得超导体,使超导技术走向大规模开发应用。现有的高温超导体虽然必须用液氮冷却,但还是被认为是人类在20世纪科学上最伟大的发现之一。

而天才少年曹的研究成果,就成了照亮茫茫黑夜的灯塔。

  只要将两层石墨烯旋转到特定的“魔法角度”,也就是1.1度,就可以实现在零阻力的情况下传导电子,实现“超导特性”。

  当然,曹原团队在研究的起步阶段并不顺利,这个实验最困难的是:如何将两层石墨烯之间的转角精确控制在1.1度,在经历了无数次的失败和挫折以后,曹原依然信心满满地说:“实验失败是家常便饭,心态平和地对待失败就没什么压力。做实验就是吃一堑长一智,等有经验了,难题自然就攻克了。”

  后来,曹原和他的团队夜以继日地待在实验室里,克服了诸如“样品无法承受高热”、“机械部件又滞留回差”的重重困难后,震惊世界的“石墨烯传导实验”终于成功了。

  年仅23岁的中国科学家:曹原,现为美国麻省理工学院博士生;但是年轻的曹原,却取得了物理学科在石墨烯超导领域中的重大突破,解决了困扰世界物理学家,从1911年至2018年将近107年的物理难题,轰动世界,并成为当今世界科学界一颗耀眼的新星。

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