在2018年3月份的時候，一位中國青年學(xué)者曹原，在英國《自然》雜志上連刊兩篇論文，引起不小轟動；12月底，曹原登上《自然》雜志“2018年十大科學(xué)人物”榜首，雜志封面用交錯雙層石墨烯組成“10”的字樣，來暗示曹原的發(fā)現(xiàn)。
曹原，1996年出生，四川成都人，在2010年以高考成績669分（理科），考入中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班，現(xiàn)為美國麻省理工學(xué)院博士生。
曹原登上《自然》雜志的文章，是發(fā)現(xiàn)雙層石墨烯擺成魔角1.1°（1.05°~1.16°）時，將呈現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)變條件還需特殊的磁場，以及1.7K的超低溫，并非某些媒體宣傳的常溫超導(dǎo)。
在1911年，荷蘭科學(xué)家Heike Kamerlingh Onnes意外地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)金屬汞冷卻到接近絕對零度的4.2K（﹣268.95℃）時，汞的電阻突然消失了，這一發(fā)現(xiàn)打開了人類探索超導(dǎo)體的大門，這位科學(xué)家也因此獲得1913年諾貝爾物理學(xué)獎。
我們知道，導(dǎo)體之所以導(dǎo)電，是因為導(dǎo)體中存在大量的自由電子，這些自由電子定向移動形成了電流；但是自由電子在移動過程中，會受到原子以及其他電子的阻礙作用，從而使電子損失動能，然后轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的內(nèi)能，這就是電阻的微觀原理。
超導(dǎo)體電阻為零是一個非常反常的現(xiàn)象，這里指的“電阻為零”，并非指“電阻非常小，小到可以忽略”，而是說“超導(dǎo)體的電阻絕對為零”。
有電阻就會有電流損耗，科學(xué)家建立一個環(huán)形的超導(dǎo)體，然后利用磁場激發(fā)出感應(yīng)電流，這個電流在環(huán)形超導(dǎo)體中運行了兩年之久，都沒有絲毫衰減的跡象，說明超導(dǎo)體的電阻是絕對的零。
我們在中學(xué)熟知的歐姆定律，本質(zhì)上是一個經(jīng)驗公式，并非嚴(yán)格的物理定律，只適用于純電阻的常規(guī)情況；比如電流達(dá)到上萬安培時，歐姆定律也會存在2%左右的誤差。
所以歐姆定律并不適用于超導(dǎo)體，超導(dǎo)體中的電流，需要用更本質(zhì)的物理定律來描述，比如利用電流的定義式I=Q/t，既單位時間內(nèi)通過的電荷量。
超導(dǎo)體有三大特點：電阻率為零、完全抗磁性、通量量子化。
其中“電阻率為零”是人類電力系統(tǒng)中夢寐以求的物質(zhì)屬性，如果我們能制造出常溫狀態(tài)下的超導(dǎo)體，那絕對是人類科技的一大飛躍，電子產(chǎn)品將變得更加小型化，可控核聚變中的磁場強度大大增加，或者在電力運輸中減少損耗。
超導(dǎo)體自從被發(fā)現(xiàn)開始，就成為科學(xué)研究中的重點項目，最初發(fā)現(xiàn)汞的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為4.2K，然后又發(fā)現(xiàn)鉛在7.2K時也能成為超導(dǎo)體；經(jīng)過一段時間的研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)有幾十種單質(zhì)，在接近絕對零度時都能轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體。
理論物理學(xué)家也在試圖解開超導(dǎo)體的奧秘，直到1957年，三位物理學(xué)家提出BCS理論，以電子-聲子作用為前提，解釋了低溫超導(dǎo)體的形成機制，并因此獲得1972年諾貝爾物理學(xué)獎。
美國物理學(xué)家麥克米蘭還發(fā)現(xiàn)，BCS理論存在一個極限溫度大約39K，高于這個溫度后的任何物質(zhì)，都不能形成超導(dǎo)態(tài)，這一極限打擊了人們的信心，因為如此低的溫度難以用于實際。
直到1986年，兩位IBM的科學(xué)家柏諾茲和繆勒，放棄以往在金屬合金中尋找超導(dǎo)材料，轉(zhuǎn)而研究不被人看好的陶瓷材料，他們發(fā)現(xiàn)鋇銅氧化物的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到了35K，并發(fā)現(xiàn)該類物質(zhì)有可能突破麥克米蘭極限，他們兩人也因此獲得1987年諾貝爾物理學(xué)獎。
這一下子可讓氧化物超導(dǎo)體的研究火熱起來，此后研究人員把能實驗的任何材料都試了一遍；當(dāng)年，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度很快就被提升到了40K，然后43K，50K……；在1987年，我國趙忠賢等人發(fā)現(xiàn)90K的釔鋇銅氧化物，首次把超導(dǎo)材料轉(zhuǎn)變溫度提升至液氮水平（77K）。
77K（-196℃）是超導(dǎo)材料達(dá)到實用的最低門檻，因為用液氮就能制造超導(dǎo)體，相比以往用液氦和液氫來制造超低溫，成本低了很多倍，所以轉(zhuǎn)變溫度在77K以上的叫做高溫超導(dǎo)體。
1988年初，日本研究人員發(fā)現(xiàn)110K的鉍鍶鈣銅氧超導(dǎo)體；當(dāng)年，我國留美學(xué)者盛正直發(fā)現(xiàn)125K的鉈鋇鈣銅氧超導(dǎo)體；1993年法國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)135K附近的汞鋇鈣銅氧超導(dǎo)體，如果壓力進(jìn)一步提高，這一溫度還能升到164K（-109℃）。
此后二十多年，無論在實驗還是理論上，關(guān)于超導(dǎo)體的研究進(jìn)展緩慢，高溫超導(dǎo)體的產(chǎn)生機制一直是凝聚態(tài)物理的最大謎團(tuán)；有理論物理學(xué)家預(yù)言，氫氣在超高壓力下（數(shù)百萬個大氣壓）會形成金屬氫，金屬氫很可能具有常溫超導(dǎo)能力。
到了2015年，德國兩位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)硫化氫（H2S，臭雞蛋的成分）在150GPa（150萬個大氣壓）下，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到了203K（-70℃）。這是繼上世紀(jì)九十年代發(fā)現(xiàn)汞鋇鈣銅氧超導(dǎo)以來，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的一大提高，但是極高的壓力使得該成果無法實際應(yīng)用。
然后在2018年12月，德國科學(xué)家團(tuán)隊再次宣稱，他們在170萬個大氣壓的條件下，發(fā)現(xiàn)LaH10 （氫化鑭 ）具備超導(dǎo)性能，轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)250K（-23℃），目前這一發(fā)現(xiàn)還在接受同行審核。如果證實為真，那么這將是人類發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的最高轉(zhuǎn)變溫度，但是所需壓力實在太高了，幾乎和地心壓力相當(dāng)。
然后在2018年，曹原團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)的雙層石墨烯超導(dǎo)現(xiàn)象轟動科學(xué)界；其實石墨烯的超導(dǎo)現(xiàn)象早就被人們發(fā)現(xiàn)，但是以往的石墨烯超導(dǎo)屬于常規(guī)超導(dǎo)（BCS等理論可以解釋的超導(dǎo)現(xiàn)象）。
而曹原發(fā)現(xiàn)的雙層石墨烯超導(dǎo)，更像是非常規(guī)超導(dǎo)，雖然最高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在1.7K（約-271.5℃），但是雙層石墨烯只做了簡單的角度旋轉(zhuǎn)，就能讓雙層石墨烯從絕緣體到超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變，這是非常不可思議的事。
對于氧化物類的高溫超導(dǎo)體，由于微觀結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，很難進(jìn)行微觀尺度的研究；而超高壓類的超導(dǎo)體，研究起來更難，也無法實現(xiàn)實際應(yīng)用。
而在曹原的實驗中，石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)簡單，實驗各參數(shù)比如磁場、溫度、電流、角度等等都是可以精確控制的，這一發(fā)現(xiàn)給科學(xué)研究帶來了新的思路，也為高溫超導(dǎo)現(xiàn)象提供了研究平臺，這絕對是近幾十年來，超導(dǎo)研究領(lǐng)域最令人興奮的事。
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