张首晟的妻子 张首晟:技术发展的危机是科学发现的重大机遇
8日上午,在第十四届中国科协年会特邀报告会上,斯坦福大学物理系教授、清华大学“千人计划”特聘教授张首晟作了题为《创新在中国》的报告。在报告中,张首晟以通俗易懂的语言解释了他在拓扑绝缘体研究方面取得的成就,并和大家一起分享了他在科学工作方面的创新经验。
张首晟在报告中说,今天,IT行业因为无法解决电子芯片不断变小带来的热冷却问题而无法像摩尔定律指出的那样发展了,正在遭遇前所未有的重大危机。但危机中孕育着机遇。对科学工作者来说,IT业的这个瓶颈是一个非常好的创新机会,如果我们找到新材料突破IT业的这个瓶颈,就能实现真正的超越,走到世界的前面。
张首晟说,为什么芯片在工作的时候有很大的功耗,主要是电子在芯片里的运转,基本上就像一辆高速的跑车在集市中奔跑一样,电子之间会相互碰撞,也会和杂质碰撞。怎么解决这个问题?我们的灵感来自高速公路的工作原理,叫做各行其道,互不干扰,把车分到不同的车道,把相反的运动分割开来,这样就会减少碰撞的概率,在运行的过程中就会非常顺。
在微观世界里使电子能够有这样的运行方式,就涉及到量子霍尔效应,这是近代物理学的一个重大发现。
它的科学道理看起来非常高深,但我们用非常简单的公式可以表达,2=1 1。例如,我们在一维的空间有两种走法,可以往前走,也可以往回走,一旦碰到障碍就会弹回来。
电子也是这样,在运行的过程中如果碰到杂质,本来是往前走的,就会变成往回走。量子霍尔效应就是把这两种不同的运动方式,即往前走或者往后走的在空间上分开,使得往前走的在系统的上面走,往回走在系统的下面走。
量子霍尔效应是非常伟大的发现,但在很长时间里其实没有非常重大的实用价值,因为它的实现一定要用非常强大的磁场。我们的科学发现是通过简单的推理,把2=1 1换算成4=2 2。电子除了按一个方式运动外,还有一个自旋,所以在一维空间里面,它有四种不同的运动方式,可以向上、向下,也可以往前、往后。我们的工作就是把这四种方式在空间当中拆分为2 2,从而发现了这种神奇的拓扑绝缘体。
张首晟说,简单解释一下,为什么电子既可以往前走,又可以往回走,而不发生反射呢?这主要是因为量子世界里有一些非常奇妙的现象。我们在宏观世界里,任何一个物体当转动360度时总会回到原点。
但电子不一样,它有自旋,当你将它转360度后,它不会回到原点。我们就是利用了电子的这个奇妙现象,或者在某种程度上是拓扑的原理,使不同“车道”能够分开。这也可以用宏观世界来说明,比如地球,它有自转和公转。
同样在微观世界里,电子也有一个公转和自旋。爱因斯坦相对论做了一个非常奇妙的预言,电子自旋和公转有非常本真性的耦合,我们就是利用了相对论的这个效应来预言,很多材料能够达到这种自旋轨道的耦合,并且用这个原理实现了分开“车道”的目的。
张首晟说,拓扑绝缘体,简单来讲它的内部是绝缘的,表面是导电的。我们中国很多陶瓷就是这样,陶瓷本身是一个绝缘体,但是陶瓷表面可以镀金,就是内部不导电,表面导电,但是这种办法是不稳定的。
陶瓷的表面材料跟大气反应后,过一段时间导电性能就会消失。但是拓扑绝缘体有一个非常奇妙的现象,它的导电层是自己产生的,不需要外界任何条件。如果跟外面大气反应之后,即使上面一层消失,下面还会有导电层,从某种程度上说是永不消失的“镀金”。所以,拓扑绝缘体在信息产业中将会得到非常重要的应用,它正在从科学转变为技术。
张首晟最后和大家讲起了自己在科学工作方面的一些经验和感受。他说:科学的发现有第一流的仪器是不够的,还需要有第一流的想法。我在清华大学,大家问创新的灵感到底何在?我说,随着人们年龄的增长,知识也在增长,但是创意往往是在下降。
因为知识越多,看到新生事物时,就总是想能不能用老套的办法来解决。年轻人则不同,他们虽然知识不足,但创意很多。我作为科学工作者,作为教授,就要去教本科生,把知识传授给他们,而他们则可以给我提供很多新鲜创意,这是一个双赢的方法。
