沉痛缅怀 | 重温张首晟教授在2016复旦科技创新论坛的学术报告

复旦大学杰出校友,美国华裔科学家,斯坦福大学物理系、电子工程系和应用物理系终身教授张首晟于美国当地时间12月1日去世,享年55岁。

2017年7月21日凌晨,张首晟及其团队在美国科学杂志上宣布发现了手性Majorana费米子,这一被张首晟称为“天使粒子”的新发现不仅证实了意大利理论物理学家Ettore Majorana在80年前的预测:世界上存在着没有反粒子的粒子,同时也证明了存在一种比量子还小的单位,这将对现在的量子理论带来巨大的改变。

2016年12月17日,张首晟受邀在第二届复旦科技创新论坛上就“理论预言材料”做了学术报告。虽然这颗闪耀在物理领域的星在两年后熄灭了光芒,但张首晟教授对量子理论的巨大贡献仍将照亮科研探究的征途。让我们重温张首晟教授在论坛中的主旨演讲,对这位科学家致以最崇高的敬意。

 

演讲实录

老师们,同学们,大家上午好,今天我非常有幸回到复旦大学。刚才大家听了介绍,我也是复旦大学改革开放之后第一届学生。1978年,15岁的我还没有读过高中,就来到了复旦大学,所以今天看到年轻的同学们,也是感到非常的亲切。我今天给大家做一个学术的报告,是讲电子的高速公路。

张首晟1

我们今天生活在一个非常神奇的时代,这是一个信息推动一切的时代。在这个信息的社会,我们处理信息的能力迅猛增长。摩尔定理就是在描述这种情形:我们信息处理的能力每过18个月,就会翻一倍。怎么衡量处理信息的能力?我们打开任何计算机,看到主要的CPU芯片面积本身并没有太多的改变,基本都像一张邮票的大小,但是里面的三极管,每过18个月会翻一倍。这个技术从半导体技术,集成电路发明之后,差不多在过去的50年左右,基本都是按照这个神奇的摩尔定律在运行的。

这是在人类社会里面一个非常非常神奇的定律,人类社会别的增长,基本都是线性的增长,我们今天把信息工业分为传统工业和信息工业,最大的差别就是可以用摩尔定律描写。今天我们人类碰到了很多难题,如果让我做一个首选的人类碰到的挑战和难题,那就是摩尔定律能不能继续在今后的50年像过去一样继续迅猛前进。

我们先回忆一下,基本物理学对于摩尔定律有什么贡献?光子和电子对我们整个信息时代起了非常关键的作用。光子有一个特性,光子和光子之间的相互作用非常弱,我们利用这个特性来做光通讯。因为光纤里不同颜色的光、不同频率的光子之间相互作用非常非常弱,所以在很长距离传播的时候几乎没有任何的耗散。我们信息的运输,信息的交通基本上是用光子这个基本粒子进行的。

而跟光子相反的话是电子,它的相互作用非常强,不便于传递信息。因为它在传很远的距离时会产生很多的耗散,但它可以用于信息处理,因为电子和电子之间有非常强的交互作用,使我们可以调制、控制信息处理。所以基本上,我们信息有两个,一个是做计算,一个是做传输:用电子来做的是计算,用光子来做的是传输。

但是电子非常奇特,相互作用非常强,能够用来做量子的调控,也带来了很大的麻烦。电子在操控过程当中,会产生非常大的热量。在50年以前,物理学家对基本的原理起了很大的贡献,但之后,基本上是工程师所做的贡献。工程师一般不会做0到1%的创新,他只是把三极管越缩越小,所以如果每过18个月同大小的芯片性能翻一倍,但热量也是每过18个月会翻一倍。电子就是像一辆跑车,但是他在赶集的时候跑。如果我们有一辆法拉力跑车,我们可以看到他们相互之间会碰撞,就是电子和电子之间有相互的作用。这导致电能很快在碰撞的过程当中变成热能,此时又散热不足,高集成的芯片就会被烧掉。

这个解决方案是显而易见的,就是我们要为电子建一个高速公路:高速公路车辆按照车道而行,各行其道,互不干扰。我们最近的科学发现能够为电子在芯片最底层构建一条互不干扰的“信息高速公路”。

但是,所有信息的产业都是建筑在摩尔定律的基石上,如果摩尔定律发生危机,整个人类社会的信息产业都存在很大的危机。但是在我们中国古老的语言里面,已经体现了我们古老文明的智慧:“危险与机遇并存”。对科学家而言,这个危机给了我们一个很好的机会,能够在一张白纸上画出最新最美的图案。

今天的中国,我每到一个城市,大家都会问:“我这个城市怎么能够成为硅谷?”硅谷当然有它历史的机遇,不是光砸钱进去,就会变成一个硅谷来。当年硅谷就是有了这么一次历史的机遇,如果我们一直按照老办法往前走,弯道超车的几率就不大,但是一旦有了新的危,导致了新的机,我们的确可以弯道超车,重创硅谷传奇的一个机会。

理解电子在最最底层的规律可以使我们找到一个新的规律,让电子像芯片高速公路一样运行。

总的来说,我把所有的科学分为两个不同的研究方向:一种把我们整个世界看到的万物,归纳为最小的单元,例如在一百年前,化学的思想就是化学元素周期表;另一种继续往下走,可以找下面更基本的基本粒子,但是分解成最基本的单元并不意味着我们马上就可以理解世界的万物。

例如,如果我们用这个办法来理解水、水蒸气和冰,他们的基本单元都是水分子,完全是一模一样。但是为什么他们会形成三个不同的物质的态?这是我所研究问题:同样是电子,能不能形成不同的态:在有一种态的情况,他杂乱无章的运动;在另外一种态的情况下,他非常有规律的像高速公路一样运动。

今天跟大家分享的主要原理是,我的研究发现:同样的电子在不同的情况下,可以形成一个非常神奇的态,就是拓扑绝缘体的态。

我们怎样才能让电子形成一个高速公路?我用一个非常简单的例子解释,如果我给你一个哪怕直径可以忽略不计的纳米导线,电子至少有两种运动的模式:他又可以往前走,又可以往回走,本来往前走的电子,碰到一个杂质就被打回来,这是纳米导线上面形成电阻的一个最根本的一个原理。

怎么来解决这个问题? 我们中国最近经常会听到一句话,用高度的思维打低维。我们能不能发明一个神奇的公式,2=1+1:把一维的导线,看成二维的边缘,我们就有一个非常神奇的分解办法。往前面走的电子可以放在上面,倒走的电子放在下面,他的空间完全区隔起来。如果在上面的电子在往前走的时候,碰到了一个杂质的话,他只能够简单的绕杂质继续往前走;如果他往回走,他一定要跳到整个芯片的对面,这个概率非常非常小。所以这个想法基本跟高速公路一样。

电子的运动是由外加磁场导致的。如果跑到边缘的话,电子要打一个全转不容易,当然打了一个转之后,碰到边缘了,不能打一个全转,在边缘的话,就会继续的反射,所以他一直打半圈,打半圈,打半圈。属于把半圈联起来的话,好像在边缘可以导电,当中原点打转不能导电。所以外加磁场,给了一个顺时针走还是逆时针走的方向,在中心不能打转,在边缘可以导电,这样构成了一个非常神奇的运转的模式,叫做量子霍耳效应。

这个发现曾经授予过两次诺贝尔奖,但没有任何的实用价值。因为形成这一效应所需要的外加的磁场需要配备巨大的一起,计算机可能会就像医院中的核磁共振机器那么大,因此很难有实用价值。所以我们在思考:能否去掉苛刻的外界条件?这就是我对这个领域产生的贡献。我的灵感在:好像每一个电子都自备了指南针告诉你前进的方向。我打个比方,电子围绕原子核旋转像地球围绕太阳转,又有自转,又有公转,自转一圈24小时,给了我们白天和黑夜,绕着太阳转,365天,给了我们四季和年。电子同样也是,又有自转,又有公转,他又能够自转,又能够围绕原子核做公转。

到了原子世界里面,爱因斯坦的相对论,告诉我们电子自旋的运动方式和公转的方式,这种联系就是耦合效应,这是相对论才可以预言出来的效应。电子的自旋好像一个指南针,告诉他顺时针绕原子核走,还是逆时针绕原子核走。所以我运用这个原理创造了一个全新的效应:我们刚才讲纳米导线,有两种方式,要么往前走,要么往后走。除了往前走,和往回走,电子还有一个自旋,自旋可以向上或者向下,所以有四种方式,要么向前向后,要么往左往右。如果自旋向上,他告诉电子顺时针走,如果自旋向下,告诉电子逆时针走,所以导致了自旋的耦合效应,导致了我理论预言的霍耳效应:这样就把2等于1+1,变成了4等于2+2,如果自旋向上,我就知道是顺时针;自旋向下,就知道是逆时针,这样给了电子真正的各行其道,互不干扰的原理。但是他又不需要外加的磁场,所以这个可能对我们整个信息的产业,带来一个巨大的革命。

这个原理原则上可以存在,但是到底何种材料才能具备这种神奇的拓扑绝缘体的效应?有一天,我看着整个半导体的一张图里,他又有间隔的常数,又有能量的大小,突然发现有一个材料非常非常奇特:碲化汞。他的能量是负的,我知道爱因斯坦预言的耦合效应,在重的原子里面比较强,在轻的原子里面效应不明显。碲化汞是第一个拓扑绝缘体,这是我们整个人类认识材料的里程碑。

zhangshoucheng

过去所有的材料都是偶然发现,我们这次是理论预言了材料。什么叫导体,什么叫绝缘体,什么叫拓扑绝缘体?我们以水杯为例。

如果水杯是半满,稍微倾斜一下,我就能够导致这个水从右边流到左边,那就是说,所谓的倾斜一下,就等于加一个电压,水流等于有电流,导体里面,他处在一个半满的状态,我加一个电压,把半满的水杯倾斜一下,水自然会从左边流到右边。

什么是绝缘体,绝缘体是全满的杯或者全空的杯,全空没有任何空间可以流,全满也是同样的道理,稍微倾斜一下,没有东西可以流,因为流过去的地方已经有水分子在那里,所以不能导致电流,这就叫做绝缘体。

通常大家认为世界上所有的材料要么就是导体,要么就是绝缘体,因为水杯要么是半满的,要么是全满的,要么是全空的。但是我们一个非常神奇的材料——拓扑绝缘体:内部就像一个全满的杯,全空的杯,但是表面是一个半满的杯,这是一个非常奇特的运动的模式。2007年,碲化汞这个材料在德国做得最好。2006年,我们的理论做了预言之后,2007年在实验上完全验证了我们的预言。所以在2007年,科学杂志把这一发现列为年度世界十大科学发现。那一年我正好带全家回来在中国过年,就在上海听到这一个喜讯。

但是虽然我们这个发现非常有意思,但是他并不是一下就解决了所有的问题。因为我们刚才只讲到量子霍耳效应,这个效应需要两个苛刻的条件,一个是外加的强磁场,这点已经已经解决;另一个是还需要比较低的温度。所以我们在两三年以前,预言了一个全新的材料——石墨烯,复旦对此研究甚多。石墨烯是由碳原子构成的一个原子层的材料,从上面问下看,这个单单的原子层,是一个蜂窝的状态,所以他完全是用碳原子构成的。但是石墨烯并没有我们预言的神奇的性质,电子还是有电阻,不能达到各行其道,互不干扰的状态。

但是你如果看元素周期表,碳原子下面是一种非常常见的元素——锡。如果用锡同样可以构成一个单的原子层,上面看下去也是一个蜂窝的状态,但是锡这个原子和碳原子有什么不同?碳元素比较轻,不会有拓扑绝缘体的原理;而锡非常重,自旋轨道耦合非常强。因此,我们预言这个材料可以形成一个二维的拓扑绝缘体,达到神奇的效应。由于我们的理论预言,一年之前,在上海交通大学实现了这个预言。

我们在理论上预言了世界上第一个拓扑绝缘体。接下来,这个领域在迅猛增长,几乎像摩尔定律一样,美国每18个月就有好几个拓扑绝缘体被预言出来。我这次今天在做报告的时候,想到这么一个灵感:差不多每过18个月,预言的拓扑绝缘体的数目可能会翻一倍。我们又预言了一些新的材料,比如说元素周期表里面,大家看到有B和D1这些材料。

回到一个有趣的话题,为什么这个材料叫做拓扑绝缘体,科学家的惊喜到底何在?他的回报到底何在?大家知道做科学家挣的钱并不是很多。科学家的惊喜在于,他在世界上首次发现了一个东西。另一个喜悦之处在于,你对这个新事物有命名权。所以我们把这种神奇的材料称为拓扑绝缘体。

当时我们总是觉得这是比较精准地在数学概念上描写的一种材料,也不知道大家会不会对这个事情感兴趣。但是有一次我在家里工作的时候,突然有一个朋友给我打电话,说我发现的拓扑绝缘体被四千万的人关注了。这是为什么呢?在《生活大爆炸》里面,有一次谢耳朵跑到课堂里面,问:“拓扑绝缘体这个神奇的发现大家知不知道,我有一点怀疑,你们到底有没有懂拓扑绝缘体的概念。”

拓扑是一个非常美妙的数学概念。自然科学追求的是真:我们发现一个自然的定律,最好体现大自然的一种规律。数学家他的追求目标是什么?他不能谈什么是真?因为他完全可以想出自己的一个世界,无所谓真假。他们通常的灵感来自于美。

但是我们如果把数学和物理,寻美和求真紧密结合在一起,就是我们的理论物理。理论物理是寻美和求真的结合。为什么这么讲?数学家觉得我什么东西都要追求最美妙的状态。当年古希腊伟大的数学家柏拉图,他命名了五个多面体。这些多面体,左看,右看,都是高度对称,就像我们看人的脸也是非常对称,非常美丽。但是对称的美丽非常脆弱,如果真正做这么一个多面体,放置的方向不对,就会导致方向的或缺。但是欧拉把拓扑这个概念引进,顶角的数目减掉边的数目,加上面的数目始终等于二。

这是第一次引进了拓扑的概念,也是对我们美的理解,本来是非常非常脆弱的对称性,但是现在不管你什么多面体,都有一个又简单,又普适的规律,就是欧拉的规律。我们发现的绝缘体,的确用了拓扑这个概念。我们发现的拓扑绝缘体,是因为车道的绝缘体,正好跟我们拓扑数量是一样的,所以我们命名为拓扑绝缘体。

所以拓扑是一个非常非常美妙的概念,大家可能看过一个好莱坞大片——《星际大战》:我们可以有另外一个洞孔,穿到另外一个世界里。我们可以用他来做导线,也可以把他的热能,变成电能。更神奇的就是量子计算机,通常经典计算机非常难算的题目,用量子计算机算非常快。

材料的发现对于人类世界非常重要,我们过去有旧石器时代,新石器时代,都是以材料来命名,所以我们新材料的发现是非常重要的,但是过去我们的发现都是理论上的发现,我们这次是精准的预言,我们希望大家继续找到新的材料,继续造福于人类。

(速记根据现场同传录音整理,未经本人审定,仅供参考。)