天才少年曹原再发nature(天才少女)

我国24岁天才少年曹原与其导师一天之内连发两篇《Nature》，介绍了魔角石墨烯研究的新突破。

更加值得注意的是，曹原是第一篇论文的第一作者，以及和导师共同为文章通讯作者。在第二篇论文中曹原和其他两位作者并列为第一作者。

在学术圈中，第一作者被认为是对论文做出绝对贡献的人，而通讯作者通常是由教授等课题组长担任，是论文的主要创意贡献者之一。

其实，这并不是曹原第一次获得国际关注，事实上早在2018年3月6日，当时只有21岁的草原就以第一作者的身份在一天之内连发了两篇《Nature》论文，论文发表之后立即引起整个物理学界的反响，一些报道称其一举解决了困扰世界107年的难题。这里多说一下，一般论文很难登上《nature》，有些科学家一辈子也只能登上1-2篇，而曹原可以在同一天登上两篇，可想而知他的理论有多么重要。

在2018年被英国《自然》周刊评为：2018年度影响世界的十大科学人物，而当时还是学生的曹原位列榜首。

还有一些媒体报道说：诺贝尔奖颁给他只是时间早晚的问题。

虽然国内国外对曹原的研究赞誉如潮，但还是有些人不理解，为什么是中国人曹原的科研论文，非要去英文期刊发表文章？

其实这个问题非常有含金量，我们可以透过这个问题，了解一下为什么中国人的论文，以发表在英文期刊上为荣。

论文的发表

其实科学家做研究，也需要像明星一样吆喝自己的成果，只不过明星面对的是普通观众，而科学家面向的是其他科学家。

科学家主要研究的工作，都是创新性工作，然而他们研究的成果究竟对不对呢？其实并不能只有作者一个人说了算，比如：我说我研究了一个超导体，那么我把我的研究交给同行审阅的时候，同行通过我的论文来指出我的错误，从而否定我的理论。

当我交给同行审阅时，并不是一个个直接去找同行，而是发表在相应的期刊上，让同样订阅该期刊的同行看到。

但是期刊这么多，我该如何选择要投稿的期刊呢？这里有几个重要标准：相关领域的期刊；受科学家关注度较高的期刊。

如果我把论文投到一个冷门的期刊，该期刊可能只有100人订阅，那就说明我的文章发表在这个期刊上很难引起同行的广泛关注。

如果我把论文投到一个热门的期刊，该期刊会受到全世界大多数科学家的关注，那就说明我的文章能够引起同行热议。

但是，热门期刊并不会随便收录我的文章，一方面是因为该期刊每次可以收录的文章有限，另一方面是该期刊为了保证自己的权威性，会对论文进行筛选。一般创新度不够、实验数据造假、论文与其他重复性较高等文章都会被筛选掉。

但如果通过了这个阶段，也不会被立即发表，杂志的编辑还会提出修改意见，以及调整内容等进行修改，审核等，在此过程中也会有许多文章被筛选掉。一般情况下一篇文章从投稿到最终发表需要3-12个月，当然如果研究的内容非常热门或者成果特别巨大，那么可能只需很短的时间就会被发表出来。

中文研究为什么要发表在英语期刊？

中文研究之所以要选择在英语期刊发表，其实就是因为受科学家关注度较高的期刊几乎都是英文期刊。

评价一个期刊的影响力，可以通过看该期刊的影响因子，影响因子的计算方式是IF（年份）=该期刊最近两年的全部文章在当年被引用的次数/该期刊最近两年的全部文章。

比如：如果该期刊最近两年发表了100篇文章，一共被引用了200次，那么该期刊的影响因子就是2。

从这里你看出来了，影响因子越高的文章，代表着被同行认同率越高，而影响因子每年都会更新一次.

从2019年影响因子我们可以看出，排名靠前的期刊都是英文期刊，比如：《nature》的影响因子是40.137，排名第13。

而中文期刊《cell research》在中文期刊中影响因子为17.848，是中文期刊中影响因子最高的期刊，但影响力远不如《nature》。（多说一句，有些中文期刊在国际上影响力也比较大，具体要看期刊的领域）

也就是说，中文期刊在国际上的影响力，并不如英文期刊，如果作者发表在中文期刊上，那么该作者的文章只能引起中文圈内的科学家关注，无法获得国际的关注，以至于该作者的成果无法被大众所熟知。这非常不利于科学交流，也不利于我国的科学发展。

总结

其实最开始最受欢迎的国际期刊并不是英文期刊，而是德语，这是因为当时德语有很多顶级科学家，但随着科学中心从德国转移到美国，使得美国科学水平大幅提升，以至于目前主流期刊几乎都是英文期刊。

而我国的科学研究之所以发表在英文期刊上，是因为只有受关注较高的期刊，才能获得更多更专业的同行审阅，才能使自己的研究获得足够的关注。

      我们有时候总在思考一个问题，是不是真的有天才的存在呢？答案当然是肯定的，不然哪来那么多小小年纪就能上大学，还未成年就能拿到博士学位的人。

一、人物介绍

曹原，1996年出生于成都，14岁时考入中国科学技术大学少年班，当时14岁的他在少年班里依然是年纪最小的一个，此后他又前往麻省理工学院攻读博士学位。
2018年的时候，他在nature杂志上。发表了两篇论述石墨烯在特定角度下产生超导现象的文章，他的这一研究成果开创了超导研究的新方向，是具有里程碑意义的。杂志一发表顿时轰动了国内外，我国为之骄傲，其他各国纷纷向曹原抛去橄榄枝，邀请他去别国做客座教授或当科学家，但是曹原一一回绝了，曹原立志回国为祖国的发展贡献自己的力量。
二、人物评价

要说如何评价曹原，相较于同龄人来说，那只能说是吾辈之楷模，但我等也只能仰望它的高度，而永远不可能达到他的高度，毕竟天才是很少见的，我们再怎么努力也几乎不可能再达到他的那个高度。但是也有些过于夸大曹原的成分，曹原当年发表的那两篇关于石墨烯的文章，整个实验其实都是由他的导师主导和设计的，在曹原到来之前，他的导师已经研究了好几年了，曹原在实验室当中是操作员的角色，但这个研究成就是属于整个课题组的，所有的失败和经历，最主要的核心人物还是他的导师。所以要辩证的看待，曹原是我们达不到的一个高度，但是我们也不必过度神化他，我们只要知道他比我们绝大多数人都要厉害很多倍就可以了。

毕竟14岁上大学，刚成年就能拿到博士学位可不是随随便便大风刮来的，就凭这一点，很多人这一辈子都无法达到。最近曹原又在nature上发表了文章，不得不感叹，天才就是天才啊，有头脑有智商还能耐得住寂寞，守得住孤独，潜心做研究，这在这个浮躁的社会里面，尤其是年轻人当中，是很难得的品质。况且曹原成名后也并没有贪图国外的高薪和职位，而是选择回国，他内心是拥有大义的。如果人生能够重来一遍，那我也是个只能对曹原的人生望尘莫及的普通人。

一个名叫曹原的在MIT读博的21岁男孩以第一作者一天发了两篇Nature，曾经在中科大少年班。知乎上很多人说，“和曹原是初中同学这件事，我可以吹一辈子！”“和他是本科同学，我们的存在就是为了衬托他的优秀。”“你会发现人与人之间的差距和人与狗的差距还要大。”

然后前两天一个理科选修课的作业是pre一篇Nature/Science上的文章，我们就选了一篇Nature的编辑觉得曹原这两篇文章非常有意思遂为他又写了一篇News&Views版面的文章：Novel electronic states seen in graphene.

毕竟是做了很多准备而且觉得有一些科普还是不很直白吧，遂结合文章和查到的一些其他科普文整理了一下我们一群大一学生的「成果」，也算是对自己努力的纪念了（毕竟我是个文科专业的学生啊！完全非功利之心的纯粹努力啊！）。仅需高中理化基础即可！

一、超导体

（1）超导的发现

1911年，荷兰莱顿大学的H·卡茂林·昂内斯意外地发现，汞在-268.98℃（4.2K）时电阻消失。后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，H·卡茂林·昂内斯称之为超导态。昂内斯由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。

（2）按解释的理论分类：

常规超导体 V.S 非常规超导体

如果超导的机理可以用常规理论解释，就是常规超导体，如果不能，就是非常规超导体。

（3）按材料达到超导的临界温度分类：

高温超导体 V.S 低温超导体

高温超导体是具有高临界转变温度（Tc）能在液 氮 温度条件下工作的超导材料。成分多是以铜为主要元素的多元金属氧化物，氧含量不确定，具有陶瓷性质，具有明显的层状二维结构。

低温超导体具有低临界转变温度（Tc＜30K），在液 氦 温度条件下工作的超导材料。分为金属、合金和化合物。具有实用价值的低温超导金属是Nb( 铌 )。

（4）高温超导，目前包括铜氧化物高温超导和铁基高温超导两大类材料

但它们都是 非常规 高温超导材料——并不能用常规理论解释—— 高温超导机理至今仍然是凝聚态物理领域悬而未决的重大谜题之一 （涉及最基本的物理问题：在多体关联电子体系中的集体量子凝聚行为，目前解释这个现象的凝聚态物理理论框架，尚未完全建立）。

（5）应用：

1、军事上即聚能武器

2、超导发电机。几乎没有能量损失，减小体积，提高发电效率。这在国防、科研、工业上具有极大的意义。

3、超导电磁推进系统，高航速、低消耗的舰艇。

4、医用超导磁体。

5、超导计算机。

二、石墨烯

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。可以理解为单层石墨啦。

每一个碳原子都有四个价电子，其中三个通过sp²杂化轨道和别的碳原子联结成键，剩下一个p轨道的电子在与该层石墨烯垂直的轨道上“运动”。（它并不在任何“一层石墨”上，可以自由移动，遂石墨能导电。）

三、关于研究逻辑

之所以叫“逻辑”，是因为本文的理论我们都没怎么看懂。（但这并不意味着没有收获或意义。）

总逻辑线：按“魔角”角度旋转的双层石墨烯中发现了新型电子状态，通过一顿操作成功模拟了高温超导中的物理状态。

具体来说：

首先，按魔角（magic angle）旋转两层石墨烯（方法：拉堆技术tear and stack technique）。

于是改变了两层石墨烯的狄拉克锥能带杂化效果，即，在原本完美的狄拉克锥上打开一个 能隙 并使狄拉克点上的 费米速度 被重整化。

这里的能带的杂化，我们的理解和轨道杂化是有相通之处的：石墨烯的每个碳原子有4个价电子，其中3个以sp2杂化轨道成键和另外3个碳原子相连，剩下一个电子在与石墨烯平面垂直的p轨道，两层石墨烯经过旋转，那么两层石墨烯之间的电子轨道还会有神奇的杂化，轨道的杂化带来能量的杂化，用「图」来表示就是能带的杂化。

能带杂化的变化效果，也就是随着旋转角度的改变，原本呈锥形（和狄拉克方程有关）的能带图形改变了。

关注到旋转两层石墨烯的另一效果：改变「费米速度」。虽然并不知道费米速度是什么，但总之让费米速度变成零的角度就是“魔角”。

按照魔角旋转，会产生两个现象：扩展元胞&摩尔纹。

此处的元胞和晶胞的概念有些类似，即不断重复的最小单元（此处为菱形）。

好叭，除了扩展元胞，还有一个现象就是摩尔纹，也就是上述明明暗暗的波纹。

这种状态下，两层石墨烯之间的电子（就是那个可怜兮兮没有成键的电子）就处在一种全新的状态了。

这个状态大概是什么样子的呢0.0？曹原给了一张图：

接着，曹原的团队通过静电门技术连续改变石墨烯中的载流子浓度，发现了两个与非常规超导体的相似点。

【相似点一：莫特绝缘体】

在讲这个相似点之前先回顾一下之前说过的超导体分类：常规超导体&非常规超导体。前面还提到了一个能带理论，它就是一个能解释常规超导体但是不能解释非常规超导体的常规理论。它的观点之一就是能带全满的话不导电， 能带半满就导电 。这个填满能带的东西（应该）就是载流子。假设能带全满的时候的载流子浓度是ns，那么半满就是ns/2.

然后看下图：

从n从大到小（由两边向中间）这段连续变化的过程中，我们可以发现在ns区域，也就是能带全满填充的时候，电导为零，也就是绝缘，这是符合能带理论的；但是在ns/2区域，能带半满填充的时候，又出现了一段绝缘的平台，这就是不符合能带理论的（如前所述，按能带理论，能带半满是可以导电的）， 不符合能带理论的绝缘体被称为莫特绝缘体 。 莫特绝缘体又是高温超导材料的 母体材料 ，于是这就构成了魔角双层石墨烯与高温超导体的第一个相似点。

曹原就觉得，那既然你和高温超导体这么像，那我就像对高温超导体一样对待你就好了嘛。于是他就继续调节载流子浓度、降温，从而使材料产生了超导电性。这也是魔角双层石墨烯与高温超导体的第二个相似点。

【相似点二：超导电性】

为什么相似呢？按照我们读出来的内容，归纳了两个原因。

| 原因一 |

莫特绝缘态的双层石墨烯 不同载流子浓度下出现的 抛物线型超导区 和 高温超导体的电子态相图如出一辙。

| 原因二 |

超导态双层石墨烯和莫特绝缘体都受温度和磁场影响。

这三幅图证明了超导态双层石墨烯超导性受温度和磁场影响。

d图，外加磁场大小为0T。看红线对应的部分，随着温度的升高，依次经历了黄色的SC（超导态）和蓝色的Mott（莫特绝缘态），可见超导态双层石墨烯超导性受温度影响。e图，外加磁场大小为0.4T。看红线对应的部分，只有Mott（莫特绝缘态），SC（超导态）消失。f图，外加磁场大小为8T。看红线对应的部分，连Mott（莫特绝缘态）都消失了，完全恢复金属导电性。可见超导态双层石墨烯超导性受磁场影响。而一个纯正的莫特绝缘体，它也是温度升高会恢复金属态，同时4T以上的磁场逐渐恢复导电性，直到8T磁场下完全恢复正常金属导电性的。所以二者是非常相似的。

综上，从母体的莫特绝缘态，到二维超导态，魔角石墨烯都神奇地模拟了高温超导中的物理。但是曹原一开始并不是为了研究高温超导而扭转石墨烯的，他只是很好奇扭转两层石墨烯之后会发生什么。结果竟然发生了这么神奇的事，连发两篇nature。

四、意义与质疑

意义：第一个纯碳基2D超导体&提供高温超导机理较简单的研究平台

铜氧化物超导这类非常规超导是最有可能实现室温超导的，目前已经实现零下140度左右实现超导，但铜氧化物超导的系统又很复杂，且实验条件需要花费大量的劳力物力，所以很难进行有效的下一步研究，所以铜氧化物为代表的高温超导体沦为难以解释的非常规超导体。然而——

Our results also establish MA-TBG as thefirst purely carbon-based 2D superconductor and, more importantly, as a relatively simple and highly tunable platform that enables thorough investigation of strongly correlated physics （强关联体系，也就是解释高温超导机理的关键）.

意义：虽低温但低载流子浓度，可能带来高温超导新突破。

虽然其超导温度仅有1.7 K，尚且低于金属掺杂的少层石墨烯。然而对应的载流子浓度很低(-1.4×10^12 cm-2)，在MoS2体系涉及的载流子浓度为7×10^13 cm-2，高温超导体中将更高几个数量级。如此低的载流子浓度尚且能够实现超导，已属不易。别人学10000年考了100分，双层石墨烯学100年考了20分，还是很有潜力的。

质疑：不一定是莫特绝缘体的状态，双层石墨烯超导体和非常规高温超导体的超导机制不一定相同。

诺贝尔大佬斯坦福大学的物理学家Robert Laughlin 认为，“目前还不清楚是否在铜氧化物超导体中出现的所有行为都会发生在石墨烯超导体中，所以新的相关实验需要开展，才能获得大家的认可。”也就是说，本来曹原团队的想法是，铜氧化物之类的高温超导体非常难研究（需要很极端的实验条件，例如很强的磁场，才能展开研究），但是双层石墨烯惊人地展现出和高温超导体非常相似的性质，似乎隐隐地告诉世人，我和正经的高温超导体有同样的超导机理，研究我只要电场就好啦，比铜氧化物方便多了呢。然而，有物理学家表示，用别的已有理论完全可以解释双层石墨烯的这个现象，表明不一定是和高温超导一样的机理。

所以，曹原表示，即使最后证明二者的机制不一样，“在文章中我们比较了旋转双层石墨烯的超导态中的转变温度和载流子浓度的关系，发现旋转双层石墨烯中的超导配对强度甚至比铜氧化物、重费密子等非常规超导体更大，更接近于BEC-BCS转变线(和近年非常火热的部分铁基超导相近)。所以即使它的超导机理和铜氧化物不同，研究为什么在看似如此简单的石墨烯系统中会存在这样强的超导配对也是在理论上非常有意思、独特的。”

物理学家们已经在黑暗中徘徊了30年，试图解开铜氧化物超导的秘密，我们许多人认为，灯才刚刚打开。

四、参考资料

[1] Cao, Y. et al. Nature (2018).

[2] Cao, Y. et al.Nature (2018).

[3] E.J. Mele,Novel electronic states seen in graphene, Nature 2018.

[4] 一篇你能搜到的中文解读

[5] 另一篇你能搜到的中文解读

[6] 依然是一篇你能搜到的中文解读

要说在材料学领域，哪些科学家做了贡献？那么客观来说，有一个很好的方式作为评价，那就是只要发表了材料科学类成果的，都做出了贡献。

材料科学领域，太过庞大，有机高分子、金属、无机材料、包括什么陶瓷、橡胶、纤维、石墨烯、钙钛矿、纳米材料……包括电化学、腐蚀、纺丝、铸造……包括原子力显微镜、扫描隧道显微镜、紫外红外光谱……从材料到加工方法到表征仪器，往下细分的，如同神经纤维末梢的一个个点，每一个点做出了贡献，都是对整个材料科学领域做出的贡献。

回归主题，哪些科学家做出了贡献，举几个代表例子，首先是我个人非常崇拜的曹原。

来自四川成都的96年出生的曹原，一提到他总是会冠以“天才少年”的头衔，而他的确实至名归。

他用三年时间学完初中高中课程，2010年年仅14岁的他以高考总分理科669的分数考入中国科学技术大学少年班，随后在麻省理工读博士，在这期间，才是“天才少年”显露威名的时候，2018年，曹原作为第一作者连发两篇nature，报道了：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。

当大多数学者都还在神经末梢做贡献时，他直接开辟了全新的领域，领域里无数的“神经末梢”，又可以满足无数的学者。2018年12月18日，《自然》杂志发布了2018年度科学人物，位居榜首的正是曹原。许多报道将其称为“中国潜在的最年轻的诺贝尔奖获得者”，nature称他为“石墨烯驾驭者”

截至目前，96年的曹原已经发表了8篇nature和一篇science，这是什么概念？作为两大无敌顶刊nature和science，国内很多高校的奖励政策中，在两者任何刊物上发表一篇论文可以奖励50万元以上，更有人直言，全国范围内每年在science上发表论文的数量不超过20篇，而甚至一般来说，一位学者如果在《自然》上发表一篇论文，就可以在国内任何大学找到教职；发表两篇，就有资格在“211”、“985”大学获得正教授职位。这丝毫不夸张。由此就可以感受到天才少年是有多么的天才，而他在石墨烯领域，材料科学领域做出的贡献也是值得赞美的！