张首晟演讲 物理学家张首晟在上海市科协年会上发表演讲

“我们生活在信息社会高速发展的时代,我们的信息处理能力以摩尔定律的速度增长———每过18个月信息处理能力翻一倍,不过,这条路已经走到了尽头。”在昨天举行的上海市科协年会上,斯坦福大学终身教授、清华大学教授、中国科学院外籍院士张首晟做了主题为《电子高速公路》的演讲。让杂乱无章的电子有序运动,缓解电能的损耗,这是挽救摩尔定律的“大招”吗?

电子高速公路“挽救”摩尔定律

信息社会是建筑在光子和电子这两个基本粒子上的,光子是用来通讯的,电子是用来做信息处理的。光子相互之间没有很强的相互作用,在传播过程中不容易受干扰,所以用光线光纤作为通讯工具,但电子间有很强的相互作用,当芯片中的电子数量以摩尔定律的速度聚集起来后,它们运动时会产生大量热量。

“如果每个三极管基本工作原理不改变,密度每过18个月翻倍,它产生的热量也翻倍。现在把笔记本电脑放在你的大腿上面,你会觉得非常烫,如果继续发展下去,那么笔记本将被烧掉。”张首晟说。

“现在的电子运动如同一辆跑车在集市上,集市的拥堵已经严重影响跑车的速度,那么为何不为跑车建一条“高速公路”呢?”张首晟说。1982年提出的量子霍尔效应就基于这个想法,在强磁场下,大部分电子在原地打转,但在芯片缘边的电子只能打半个转,这就表现为芯片表面的电子往前走,边缘的往后走,芯片内部处于绝缘状态。

然而,量子霍尔效应没有应用价值,因为它不仅需要加入强磁场,还需要在极低的温度下运行。张首晟在此基础上,利用电子自转方向与电流方向之间的规律让电子可以有序运动,如同为跑车配备了“导航仪”,量子自旋霍尔效应横空出世。

这一理论的问世,为濒临绝境的摩尔定律带来了希望。使用这一原理的计算机,电流流动时候几乎没有电阻,电子计算时也没有能量损耗。

未来最伟大发现将是“跨”出来的

找到了建造“高速公路”的原理,张首晟还需要找到建造“高速公路”的材料,否则这个发现仍然无法变成产品,进入人们生活。

3年前,张首晟预言了一种能够用于建造电子高速公路的新材料———单层锡原子材料。他将之命名为Stanene,取自锡的拉丁名(stannum)和石墨烯(Graphene)的结合。幸运的是,仅一年后,就有人验证了他的预言,目前,Stanene的搜索量爆炸式增长,上海在这方面的研究上,已经走在世界前列。

张首晟是少有的能把所有道理都用打比方的方式讲出来的科学家。比如他既可以把电子运动比作高速公路,又可以对比成星球的转动;绝缘体能比作空的或满的水盆,半导体就是半满的水盆;量子霍尔效应中电子的一来一回比作“2=1 1”……这种思维方式,让他在面对复杂事物时,能迅速简化为本质。

在张首晟看来,现在想要做出伟大的发现,得跨界。他提出的拓扑绝缘体材料中的拓扑,就取自数学。拓扑只考虑物体间的位置关系而不考虑它们的形状和大小,如同只要知道一个多面体有几个点,就能知道它有几个面。面对电子高速公路的概念,尽管进入的电子运动错综复杂,但只要抓住有几条“车道”就行。

“用拓扑学的角度来看,甜甜圈和水杯是同一种东西,因为中间都有一个圈。”张首晟开玩笑说,“这个本质叫做拓扑不变量。”

身在科学前沿的张首晟非常关心产业化,他认为只要真正解决科学问题,才能带来引起世界变革的商机,美国硅谷就是借助硅材料发展起来的。下一个“爆点”在哪里?他对自己的拓扑绝缘材料信心满满。“你看人类的时代都是由材料命名的,青铜时代、铁器时代、钢铁时代、石墨时代,我希望下一个时代是拓扑绝缘材料时代。”张首晟说。