張首晟：科學的發現要有第一流的想法

在第十四屆中國科協年會特邀報告上，斯坦福大學物理系教授、清華大學“千人計劃”特聘教授張首晟作了題為《創新在中國》的特邀報告。在報告中，張首晟解釋了他在拓撲絕緣體研究方面取得的成就，并分享了他在科學研究方面的創新經驗。

張首晟在報告中說，目前，IT行業因為無法解決電子芯片越變越小帶來的熱冷卻問題而不能像摩爾定律指出的那樣發展了，對IT行業技術發展來說這是一個瓶頸，但是對科學工作者來說，這個瓶頸是一個非常好的創新機會，因為我們中國現在在整個IT領域，在基礎技術上還是遠遠落后，比如最核心的芯片都是掌握在國外大公司手中。如果我們找到新材料突破IT業的這個瓶頸，就能實現真正的超越，走到世界的前面。

張首晟說，為什么芯片在工作的時候有很大的功耗，主要是電子在芯片里的運轉，基本上就像一輛高速的跑車在集市中奔跑一樣，電子之間會相互碰撞，也會和雜質碰撞。怎么解決這個問題？我們的靈感來自高速公路的工作原理，叫做各行其道，互不干擾，把車分到不同的車道，把相反的運動分割開來，這樣就會減少碰撞的概率，在運行的過程中就會非常順。在微觀世界里使電子能夠有這樣的運行方式，就涉及到量子霍爾效應，這是近代物理學的一個重大發現。它的科學道理看起來非常高深，但我們用非常簡單的公式可以表達，2=1+1。例如，我們在一維的空間有兩種走法，可以往前走，也可以往回走，一旦碰到障礙就會彈回來。電子也是這樣，在運行的過程中如果碰到雜質，本來是往前走的，就會變成往回走。量子霍爾效應就是把這兩種不同的運動方式，即往前走或者往后走的在空間上分開，使得往前走的在系統的上面走，往回走在系統的下面走。量子霍爾效應是非常偉大的發現，但在很長時間里其實沒有非常重大的實用價值，因為它的實現一定要用非常強大的磁場。我們的科學發現是通過簡單的推理，把2=1+1換算成4=2+2。電子除了按一個方式運動外，還有一個自旋，所以在一維空間里面，它有四種不同的運動方式，可以向上、向下，也可以往前、往后。我們的工作就是把這四種方式在空間當中拆分為2+2，從而發現了這種神奇的拓撲絕緣體。

張首晟說，簡單解釋一下，為什么電子既可以往前走，又可以往回走，而不發生反射呢？這主要是因為量子世界里有一些非常奇妙的現象。我們在宏觀世界里，任何一個物體當轉動360度時總會回到原點。但電子不一樣，它有自旋，當你將它轉360度后，它不會回到原點。我們就是利用了電子的這個奇妙現象，或者在某種程度上是拓撲的原理，使不同“車道”能夠分開。這也可以用宏觀世界來說明，比如地球，它有自轉和公轉。同樣在微觀世界里，電子也有一個公轉和自旋。愛因斯坦相對論做了一個非常奇妙的預言，電子自旋和公轉有非常本真性的耦合，我們就是利用了相對論的這個效應來預言，很多材料能夠達到這種自旋軌道的耦合，并且用這個原理實現了分開“車道”的目的。

張首晟說，拓撲絕緣體，簡單來講它的內部是絕緣的，表面是導電的。我們中國很多陶瓷就是這樣，陶瓷本身是一個絕緣體，但是陶瓷表面可以鍍金，就是內部不導電，表面導電，但是這種辦法是不穩定的。陶瓷的表面材料跟大氣反應后，過一段時間導電性能就會消失。但是拓撲絕緣體有一個非常奇妙的現象，它的導電層是自己產生的，不需要外界任何條件。如果跟外面大氣反應之后，即使上面一層消失，下面還會有導電層，從某種程度上說是永不消失的“鍍金”。所以，拓撲絕緣體在信息產業中將會得到非常重要的應用，它正在從科學轉變為技術。

張首晟最后和大家分享了自己在科學工作方面的一些經驗和感受。他說，科學的發現有第一流的儀器是不夠的，還需要有第一流的想法。“我在清華大學，大家問創新的靈感到底何在？我說，隨著人們年齡的增長，知識也在增長，但是創意往往是在下降。因為知識越多，看到新生事物時，就總是想能不能用老套的辦法來解決。年輕人則不同，他們雖然知識不足，但創意很多。我作為科學工作者，作為教授，就要去教本科生，把知識傳授給他們，而他們則可以給我提供很多新鮮創意，這是一個雙贏的方法。”