张首晟创新在中国 张首晟在年会上的报告《创新在中国》
这个图片看起来比较容易,在人类的世界里,如果把高速公路修好之后,会定一个法规,自动的分成两个不同的车道。但是在微观世界里、电子世界里怎么寻找自然的规律,使得电子能够有自动的运行方式。这里有一个量子霍尔效应,在静态物理里面有一个重大的科学发现,曾经获得过两次诺贝尔奖金。
这样看来它的科学道理非常高深,我们用非常简单的公式来表示,2=1 1,比如我们用一维的空间,在很好的情况下,长城是一维的通道,有两种走法,可以往前走,也可以往回走,比如我们大部队往前走,一旦碰到障碍就会弹回来,比如电子在运行的时候会碰到杂质的影响,本来是往前走的话,就会往回走。
量子霍尔的效应就是把两种不同的运动方式,往前走或者往后走,就是刚才讲的高速公路的原理,把它在空间上分开,使得往前走的是在这个系统的上面,往回走在系统的下面,这个现象在80年代被发现,称之为量子霍尔效应。
比如电子在系统上面走的时候,碰到杂质会简单绕一个弯继续往前走,就像我们高速公路的原理一样,碰撞一下很难到车道的另外一边。
这个量子之所以形成是有强大的外层,为什么电子回知道在上面是往前走,在下面是往回走,这有一个强磁场的影响,使得电子达到运动的方式。量子霍尔效应是非常伟大的发现,其实没有非常重大的实用价值,因为它的实现一定要用到非常高的磁场,我们的电脑,我们不能用这种方式。
我们的科学发现是简单的推理,把2=1 1算成4=2 2。电子除了按一个运动的方式之外,还有一个自旋,这是微观世界里面非常奇妙的一个现象,我们在高中的化学当中知道也知道量子它可以自旋,所以在一维空间里面,它有四种不同的运动方式,可以向上,也可以向下,也可以往前、往后。
我们的工作把这四种方式在空间当中拆分为2 2。
在某种程度上之前向上的电子是顺时针,向下的是逆时针。我们利用这个原理在2006年的时候做了理论上的研究,在过去任何新的材料的发现,包括量子霍尔效应、超导体和半导体,往往是科学家在实验室里非常辛苦的工作,往往都是偶然的发现,而这次量子霍尔效应与量子自旋效应完全来自于理论的指导,我们在2006年在科学上做了这么一个奇妙的语言,语言这个材料会达到这个奇妙的境界。
简单解释一下,为什么在这上面看到电子又可以往前走,又可以往回走,为什么不能够反射呢?主要是量子世界有一些非常奇妙的现象,我们在宏观世界里,任何一个宏观的物体当你转化360度的时候始终会回到原点,电子的世界是非常奇妙的,电子是自旋,当你转360度不会到原点,这是我们学非常基础的量子力学的时候会知道这是电子世界里非常奇妙的现象。
我们利用这个电子这么奇妙的现象,或者在某种程度上是拓扑的原理,就像这次年会的会标,我们上面有类似的图案。所以电子也有同样的奇妙的拓扑的性质,使不同车道能够分开。
科学的发现给我们技术的革命带来什么呢?在20年代量子力学的发现导致对半导体有一个理解,我们知道电子一旦有波动性之后有能谢的概念,这是量子力学基本的发现带来技术上的革命。在20世纪初另外一个伟大的革命就是爱因斯坦的相对论,我们大家知道是非常奇妙的科学的发现,我们今天还在讲一些非常奇妙的预言,我们最近发现量子霍尔效应和拓扑绝缘体的发现确实体现到爱因斯坦的相对论有可能在真正的工业革命上是非常重要的作用。
为什么是这个原理呢?今天我们看电子的世界,如果看不懂的话,可以用宏观世界来看,比如在宏观世界里看地球是绕着太阳在转,地球有一个自转,有一个公转,地球自转一次是一天,绕着太阳转一次就是一年。
同样在微观世界电子业有一个公转和自转。但是爱因斯坦相对论做非常奇妙的预言,电子自旋和公转有非常本真性的偶然,我们利用相对论的效应来预言,有很多的材料能够达到这种自旋轨道的耦合,并且用这个原理使得它自动分开。
