創(chuàng)新在中國（一）
張首晟
張首晟,，美國斯坦福大學教授,，我校高等研究院訪問教授、清華大學量子科學與技術(shù)研究中心共同主任,。世界上第一個被實驗結(jié)果證實其拓撲絕緣體理論預(yù)言的學者,。他領(lǐng)導(dǎo)團隊提出的“量子自旋霍爾效應(yīng)”被《科學》雜志評為2007年“全球十大重要科學突破”之一。2010年獲歐洲物理學會頒發(fā)的 “歐洲物理獎”,，2012年先后獲得美國物理學會頒發(fā)的凝聚態(tài)物理最高獎“奧利弗·巴克利獎”以及國際理論物理學領(lǐng)域最高獎“狄拉克獎”,。
在這篇報告里，我會講到材料科學中與拓撲學相關(guān)的一些重大發(fā)現(xiàn),。如圖1,，上邊是一個二維拓撲材料，下邊是一個三維拓撲材料,，這些材料很可能在新一代的信息產(chǎn)業(yè)中起到革命性的作用,。中間有一個標簽，有時它看起來像一個茶杯,，有時它看起來像一個油炸圈餅,，它隨著時間在相互轉(zhuǎn)換，這是數(shù)學里非常深奧的“拓撲”的概念,。我想通過這個例子來說明技術(shù)創(chuàng)新和科學發(fā)現(xiàn)之間的關(guān)系,。
圖1.
我所在團隊的這個發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新,，當然有相當一部分是在國外做出來的，但也有很多工作是在中國做出來的,。我想介紹一下在國內(nèi)科學創(chuàng)新方面的工作和經(jīng)驗,。
產(chǎn)業(yè)的“危”與科學的“機”
我們知道今天的信息社會之所以能夠蓬勃發(fā)展,，和一個經(jīng)驗定律分不開,，這就是摩爾定律———計算能力每過18個月就加倍一次，這樣的發(fā)展規(guī)律是一個指數(shù)發(fā)展的規(guī)律,。在過去五六十年的時間里,，整個信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展尤其是計算能力的發(fā)展，基本上是一個技術(shù)演化的問題,。而在這之前,，則是一個科學問題：量子的發(fā)現(xiàn)使我們理解了電子的波動性，一旦有了波動性之后就有了能隙的概念,，有了能隙的概念就有電子和空穴能夠?qū)щ姷母拍?，然后就有了三極管的概念。所以在一開始,，是上世紀二三十年代量子引進電子波動性的科學發(fā)現(xiàn),，帶來了今天的產(chǎn)業(yè)革命。不過這之后,，過去五六十年里整個信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展基本是按摩爾定律這個 “機械的”規(guī)律來進行的,。
但是業(yè)界普遍認為，現(xiàn)在已經(jīng)看到了按傳統(tǒng)技術(shù)方法根本解決不了的問題,。最大的問題就是過去這些年只有技術(shù)的革新,，而不是科學發(fā)現(xiàn)在推動這個領(lǐng)域的發(fā)展。我們只是把三極管越做越小,，但沒有改變它根本的工作原理,。每個三極管在運算的過程中都需要發(fā)熱，如果三極管的數(shù)字每過18個月加倍一次,，計算機芯片的功耗也是每過18個月加倍一次,，現(xiàn)在已經(jīng)很難繼續(xù)按摩爾定律的規(guī)律來發(fā)展。圖2顯示的是當芯片隨著技術(shù)發(fā)展越變越小時,，它在運轉(zhuǎn)過程中的熱冷卻根本沒有辦法解決,。
圖2.功耗是摩爾定律的最大障礙?，F(xiàn)代芯片處理器消耗100瓦的功率,，其中20%浪費在晶體管柵極的泄露中。
這樣的困境對技術(shù)發(fā)展來說是個瓶頸,，對科學發(fā)現(xiàn)來說卻是一個創(chuàng)新的機會,。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和能源產(chǎn)業(yè)都正面臨著歷史上前所未有的危機，基礎(chǔ)科學則以此為契機，探索新的材料和新的原理,。
我們古老文化中 “危機”這個詞能夠體現(xiàn)出,，危險同時也是機遇。摩爾定律的瓶頸,，對我們科學工作者來說是一個非常好的機會,，對科學的整體展現(xiàn)和我們中國的發(fā)展來說同樣是一個機會。因為中國的信息產(chǎn)業(yè)在基礎(chǔ)技術(shù)方面還落后不少,，比如最核心的芯片技術(shù)都掌握在國外大公司手中,。我們在現(xiàn)有的技術(shù)環(huán)境下要想實現(xiàn)超越是非常困難的，真正的超越還是需要找到新的技術(shù),。我們現(xiàn)在面臨的是業(yè)界的危機,，卻是科學創(chuàng)新的機會，也是中國能夠真正走到世界前列的機會,。對中國來說,，這是一個引領(lǐng)創(chuàng)新并超越其他國家的千載難逢的戰(zhàn)略機遇。
量子世界的“高速公路”
新的材料來自新的原理,。以水為例,，自然界水分子的構(gòu)成有三個不同的態(tài)，同樣一個水分子,，可以變成液態(tài),、氣體或固態(tài)。同樣的,，過去認為電子可以形成半導(dǎo)體,、絕緣體或超導(dǎo)態(tài)這些不同的態(tài)。而我們這次發(fā)現(xiàn)電子會以一種新的拓撲態(tài)和非常奇異的功能來解決技術(shù)上的危機,，帶來科學上的革命,。
為什么今天的芯片在工作的時候有那么大的功耗？主要是因為過去五六十年間,，電子在芯片中運轉(zhuǎn)時類似一輛高速的跑車在擁擠的集市里開,，行駛的時候既有電子之間的相互碰撞，也有電子和雜質(zhì)之間的碰撞,。（圖3小圖）如果我們看懂這張圖片的話,，創(chuàng)新的靈感就很容易來到———既然這輛汽車可以在集市里運行，它肯定會有一個像高速公路那樣新的工作原理,。（圖3）這個原理是什么呢,？就是各行其道，互不干擾,，把“車”分成不同的車道,。相反的運動是分割開來的,，一旦分割開來就會減少碰撞的概率，運行過程也會非常的順,。這就是我們經(jīng)過思考得出的新理念,。
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圖3.
量子霍爾效應(yīng)
在人類的世界里，修好高速公路后會定一個法規(guī),，很自然地劃分出兩個不同的車道,。但是在微觀世界里、電子世界中怎么尋找自然的規(guī)律,，使得電子能夠有各行其道,、互不干擾的運行方式呢？這就要說到量子霍爾效應(yīng),。量子霍爾效應(yīng)是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域一個重大的科學發(fā)現(xiàn),，關(guān)于它的研究曾經(jīng)兩次獲得諾貝爾獎。它的科學道理非常高深,，我們姑且用非常簡單的公式來表示———2=1+1,。比如我們在一維空間，有兩種走法,，可以往前走,，也可以往回走，往前走的電子,，一旦碰到障礙就會彈回來,。量子霍爾效應(yīng)就是把向前走或向后走這兩種不同的運動方式在空間上分開，就是剛才講的高速公路的原理,，使得向前走的電子在系統(tǒng)的上面,，往回走的電子在系統(tǒng)的下面。
這個現(xiàn)象在20世紀 80年代被發(fā)現(xiàn),，稱之為量子霍爾效應(yīng),。比如電子在系統(tǒng)上面走的時候，碰到雜質(zhì)會簡單繞一個彎繼續(xù)向前走,，就像我們高速公路的原理一樣,，碰撞一下很難跳到車道的另外一邊。這個量子態(tài)之所以形成,，是因為有強大的外加磁場,。為什么電子會知道在上面是往前走，在下面是往回走,，這是因為有強磁場的影響,，使得電子形成這樣的運動方式。量子霍爾效應(yīng)是非常偉大的發(fā)現(xiàn),，但是它其實沒有特別重大的實用價值———因為它的實現(xiàn)一定要用到非常強的磁場,，而我們的電腦不能用這種方式,。
?。ㄎ赐甏m(xù),。本文根據(jù)張首晟教授2012年9月8日在第十四屆中國科協(xié)年會開幕式上所作的大會特邀報告錄音稿編輯整理。根據(jù)編排需要,，小標題為編者另加,。）
來源：新清華2012-12-21 第1905期
