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高小山说张首晟,高山书院创始校董,美籍华裔物理学家,他是“量子自旋霍尔效应”和“天使粒子”的发现者,也是著名物理学家、诺贝尔物理学奖得主杨振宁的学生。杨振宁曾预测,张首晟获得诺贝尔奖只是时间问题。然而在2018年12月1日,张首晟教授不幸逝世。在与凡尘的抗争中,最终身归星尘,他所从事的科学研究也戛然而止。为继承和发扬教授在科学事业上的探索精神,把“科学复兴”的理念传播到更广阔的天地,经与教授家属商议后,高山书院决定从2019年开始,设立“张首晟奖学金”,以此怀念张首晟教授,致敬科学。在高山师生的共同努力下,不少同学也自发参与到了奖学金捐赠的行列,目前高山书院已经聚集了7位优秀的张首晟奖学金的获得者。2022年“张首晟奖学金”也于今日正式启动(扫描下方海报二维码或点击阅读原文报名)。回顾高山保存的课程资料,在2016年高山书院硅谷站的课程中,张教授对自己的科研工作进行了部分介绍,在今天这个特殊的日子里,让我们一同翻开这份珍贵的资料,沐浴在张首晟教授的科学之光下。或许随着技术的发展进步,某些知识会“过时”,但科学家思考问题的角度和逻辑,以及科学家本身的魅力,是永恒不变的,也永远熠熠生辉、闪闪发光的。2016年张首晟教授在高山书院硅谷站授课摩尔定律危机今天我们整个人类文明处在一个非常神奇的时代——信息时代。信息时代有一个根本的规律,叫摩尔定律,摩尔定律说的其实是信息处理的能力,即集成电路上可以容纳的晶体管数目大约每过18个月便会增加一倍。这是一种爆发性的指数增长率。如果打开一台计算机,我们会发现里面的中央处理器CPU的芯片面积,在过去五六十年基本没有什么变化,一直都像邮票那么大,但其中包含的三极管的数量则是飞速增长的。三极管是信息处理的基本单位,从图上可以看到,芯片从最初只有几千个三极管,到后来慢慢增长到1万、10万、100万......到2016年已经是100亿的量级了。指数增长的规律,在过去整个人类文明的发展史当中是非常罕见的。我们经历了农业革命、工业革命,经验告诉我们,增长一般都只是线性的。但在过去五六十年,我们发现了这个特殊的指数级增长规律,并且也对这个规律有着深深的信念,认为这种增长是天经地义的。但事实果真如此吗?摩尔定律会永无止境地走下去吗?60年代以前,物理学家们发明了量子力学,这是摩尔定律的根本科学原理。过去五六十年,从根本原理来讲,摩尔定律没有任何改变,所有的进步都是靠工程技术来推进的。所以如果按照这个路径往下走,绝大部分的人都相信,摩尔定律已经走到尽头了。很多计算机和半导体领域的老大,不管是英特尔、IBM、德州仪器或者华为,基本上都是这么相信的。于是大家就陷入了一个迷茫的状态,不知道下一步该怎么走。摩尔定律走到尽头,这对整个人类社会和人类文明来说都是非常重大的问题。那么,为什么摩尔定律有可能会走到尽头呢?这个体验其实大家都已经有过,比如我们把笔记本电脑放在大腿上使用一段时间后会感觉到热,手机长时间打电话或者看视频也会发烫。这是因为在芯片的最底层,电子的运动方式是完全杂乱无章的。如果把电子比作是优秀的跑车,加上电压之后,芯片上的电子就像是在人满为患的集市里运动,彼此之间互相碰撞,同时也与周围环境进行各种碰撞,这样一来,绝大部分的电能都在碰撞中耗散了,也就出现了我们所体验到的发热发烫现象。由于科学原理没有改变,过去五六十年,每个单位的三极管所耗散的热量基本是不变的,但在芯片上的总三极管数量每18个月就会翻倍,这样一来,当三极管集成密度越高,芯片运转越快的时候,散发的热量也会成倍增加,到一定程度,整个芯片就烧掉了。所以,今天我们的信息社会其实就是碰到了这样一个大的阻碍,芯片内的电子就像是遇到了交通阻塞,卡在一起无法动弹。因此,我们就需要用科学的办法和科学的思维来解决这个问题。类比就是一种很好的科学思维。我们都知道高速公路的原理就是各行其道、互不干扰,如果能同样制造一个“高速公路”,让电子这个精致跑车在高速公路上畅行无阻,那就能解决问题了。这也是我们这个时代科学家的追求和梦想。也许这将会是摩尔定律危机下的一个全新的机会。复制硅谷的可能性今天很多人尤其是企业家,都喜欢到硅谷来学习,自然而然大家心里就有这样一个疑问,那就是硅谷能不能被成功复制?下一个硅谷会出现在哪里?对比来看,如果问今天的中国缺什么,很显然肯定是不缺钱的,大家现在手里有很多钱,一旦看到好的机会,都愿意投下去。关键是硅谷的发展并不是钱的问题,而是一个历史性机会问题,就是当时硅技术的发展。这种历史性机会,在人类历史上,可能要100年左右才会出现一次。如果摩尔定律一直发展得好好的,那我们今天很难再有一个取代硅谷的机会。但既然今天摩尔定律碰到了危机,必然也会造成一个新的机会。中国古老的语言里藏着极大的智慧,所谓“危机”,其实是“危”也是“机”。摩尔定律危机的出现让企业家们头疼和彷徨,但对于我们科学家而言,这是一件让人非常兴奋的事情。现在这个情况与五六十年前量子力学发明出来的时候极其相似。这五六十年间,电子在芯片层面上的工作原理没有任何变化,只是在工艺上把这个东西越做越好,于是就变成了工程师的天下,没有科学家们什么事儿。但现在,很可能机会又要来了!那么,怎样才能使电子在芯片里畅通无阻呢?就像高速公路那样。我们知道,在导线中电子的运动方向至少有正反两个,并且只要遇到一点点杂质,都可能导致电子的运动方向发生变化,产生电阻,哪怕是再细的纳米导线也不行。那究竟该怎么办呢?怎样的思考模式才能够帮助我们解决这个问题呢?国内最近有一个非常流行的词语,叫“降维打击”,这是一个非常好的思维模式。如果不只是考虑一个一维的导体,而是考虑二维空间的话,我们就会有一个神奇的办法——让上面的电子往前走,下面的电子往后走,而中间是完全绝缘的。这种运动模式就和高速公路是完全一致的。但新的问题是,什么情况下电子才会按照这种规律来运转呢?所以这里面我们需要的是一个非常强的外加磁场。电子在强磁场上的运动模式是非常奇怪的,它只是绕着磁场打转。就像欧洲的大型强子对撞机,就是让质子在一个27公里的环形轨道中加速的。在外加的磁场下,导线中间位置的电子的运动是独自打转,但在导线的边缘区域,有一个神奇的现象,就是原本要打转的电子打了半转后碰到边缘,会停止原来的打转,转而重新开始打一个新的半转。整体来看,电子是顺着导线移动的,所以导线的边缘是可以导电的,并且上下电流是相反的方向,但里面却是绝缘的。即便是电子在边缘处遇到杂质,它只会简单地绕过去而不是改变运动方向。这就是量子霍尔效应。现在回过来想想,原理很简单,高中物理就能理解,但在当时也是在偶然的情况下被发现的,这个现象在历史上曾获得2次诺贝尔奖的青睐。这是一个神奇的效应,但是它却没有任何实用的价值。所以我们可以看到,诺奖并不是一定要颁给有用的知识,有时候只是一个基本现象的发现就行。这个外加磁场的强度大概有多大呢?就是大家平时去做体检做核磁共振的时候,会进入到一个很大的机器里面,那个机器就是产生强磁场的。基本上就需要那样的一个强磁场环境。所以如果应用到我们现在的电脑、手机上,这显然是不可实现的。科学的发现就是这样,一步一步往前走,后人的研究和发现都是基于前人的发现和发明上。对于这个问题而言,这个后人里就有我。要解决实际使用问题,可能还需要一代一代人的不懈努力。我的工作我开始思考这个问题的时候,我就非常好奇,我想的是,能不能不需要任何外加磁场的情况下,就能有这种电子的神奇运动模式?这样一来,在科学上能既有伟大的发现,也能够用实用来造福人类。我的想法是通过再一次的类比。电子绕着原子核的运动,基本上与地球绕着太阳的运动很相似。我们知道地球会自转,同时也会绕着太阳公转,这样我们就有了一天24小时和一年365天。电子就像地球一样,既有自转也有公转,电子的自转就好像是电子内置的指南针,它会告诉电子需要顺时针转动还是逆时针转动,而不需要外加的磁场。地球的自转和公转之间没有特殊的耦合。但爱好天文的同学们就知道,月亮的情况则不一样。为什么我们只能看到月球的一面,因为月亮自转周期是一个月,公转周期也是一个月,所以我们始终只能看到月球的一面。所以对月球来讲,它的自转和公转有一种明确的耦合关系。爱因斯坦的相对论预言了电子的自转和它的公转必然有一种耦合,这是爱因斯坦相对论的一个非常奇妙的预言。这个预言在别的场合下也都已经被验证过。基于此,我的想法就变得非常简单,在没有外加磁场的情况下,可以想办法利用起电子的自旋特点。如果我们再回到导线的话题,其实电子在最细的导线里面并不只是有两种运动模式,它其实应该有4种,因为电子的自旋可以向上或者向下,它的公转的运动可以往前或者往后,所以一共来讲有4种不同的运转的模式。但是这4种情况可以拆成2+2,图中我们可以看到,黑色箭头向上的是电子绕着芯片顺时针运动,黑色箭头向下的是电子绕着芯片逆时针运动。所以等于是电子的自旋相当于起到了外加磁场的作用。这种来自于电子自旋和轨道耦合的神奇效应,我们叫它“量子自旋霍尔效应”。量子自旋霍尔效应是对量子霍尔效应的一种新的发现和推广,这种理论发现被公布后,很多人都说想来看看我的实验室,但可能要让大家失望了,我根本没有实验室。但我也为此觉得非常骄傲,我的实验室就是一张纸和一支笔,伟大的科学家像爱因斯坦和牛顿,他们的实验室也是只有一张纸和一支笔。所以有时候科学发现并不一定要一个很大的实验室,仅仅通过一张纸和一只笔也能产生美妙的思想。在这个理论被公布后,我又进行了进一步的预测,也就是在什么材料中会发现电子的这种神奇的运行模式。这种材料非常先进,当时整个世界只有德国的一个实验室在研究它,叫碲化汞(HgTe)。然后在短短的一年时间内,也就是2007年,通过与我的合作,他们在这种材料上验证了我的理论预言。这在当时非常轰动,大家认为这是当年整个科学上十大发现之一。某种程度上我比爱因斯坦要幸运,爱因斯坦1915年发明了广义相对论,预言了引力波的存在,但是过了整整101年才被验证。我的预言在短短一年之内就被验证了,从而开创了一个新的研究时代。这种材料就叫拓扑绝缘体,在这种材料中,电子的自旋霍尔效应只能在低温下才能够发生,所以我的工作还没有停止,还需要进一步地做类比。大家都知道石墨烯,它的发现还获得了诺贝尔奖。石墨烯的结构有点类似于六角形的单层蜂窝的状态,我的工作就是在石墨烯结构的基础上做了一次新的推广,将这种蜂窝结构中的碳原子更换成锡原子,我给这种材料命名为“锡烯”。所以我的预言就是,在这种材料中,既不需要低温也不需要外加磁场,就可以发生量子自旋霍尔效应。如果真的能够实现,摩尔定律就能够继续向前推进了。几乎每一个人类大的历史的时代,都是以一种材料来命名的。譬如旧石器时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代、硅器时代等等,所以我相信,这个拓扑绝缘材料的发现,对整个人类来说是至关重要的。整理