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研究中心共同主任。世界上第一個被實驗結果證實其拓撲絕緣體理論預言的學者。他領導團隊提出的“量子自旋霍爾效應”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創(chuàng)新和科學發(fā)現(xiàn)之間的關系。
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科學創(chuàng)新方面的工作和經驗。
產業(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導電的概念，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)，帶來了今天的產業(yè)革命。不過這之后，過去五六十年里整個信息產業(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)在已經看到了按傳統(tǒng)技術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的革新，而不是科學發(fā)現(xiàn)在推動這個領域的發(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發(fā)展越變越小時，它在運轉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。現(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。半導體產業(yè)和能源產業(yè)都正面臨著歷史上前所未有的危機，基礎科學則以此為契機，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。因為中國的信息產業(yè)在基礎技術方面還落后不少，比如最核心的芯片技術都掌握在國外大公司手中。我們在現(xiàn)有的技術環(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。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體、絕緣體或超導態(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。這就是我們經過思考得出的新理念。
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圖3.
量子霍爾效應
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。量子霍爾效應是凝聚態(tài)物理領域一個重大的科學發(fā)現(xiàn)，關于它的研究曾經兩次獲得諾貝爾獎。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。比如電子在系統(tǒng)上面走的時候，碰到雜質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。
（未完待續(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
