創(chuàng)新在中國（二）
張首晟
奇妙的理論預(yù)言
我們團隊的科學(xué)發(fā)現(xiàn)利用了一個簡單的推理———把2=1+1推廣成 4=2+2（圖1）。電子還有自旋這個運動方式，是微觀世界里非常奇妙的現(xiàn)象，我們在高中化學(xué)中就知道電子可以有自旋。
所以在一維空間里，電子有四種不同的運動方式，可以自旋向上，可以自旋向下，也可以向前或向后。我們的工作把這四種運動方式在空間中拆分為2+2。在某種程度上，自旋向上的電子是順時針運動，自旋向下的電子是逆時針運動。我們利用這個原理，在2006年進行了理論上的研究。
過去任何新材料的發(fā)現(xiàn)，包括量子霍爾效應(yīng)、超導(dǎo)體和半導(dǎo)體，往往是科學(xué)家在實驗室里通過非常辛苦的工作，然后偶然發(fā)現(xiàn)的。而這次對量子自旋霍爾效應(yīng)的研究完全來自于理論的指導(dǎo)，2006年我們在科學(xué)上做了這么一個奇妙的預(yù)言，預(yù)言某些材料會達到這樣奇妙的境界。
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圖1.量子霍爾效應(yīng)與量子自旋霍爾效應(yīng)。
簡單解釋一下，這里我們看到電子既可以向前走，又可以往回走，為什么不能反射呢？主要是因為量子世界里有一些非常奇妙的現(xiàn)象。在宏觀世界里，任何一個宏觀的物體轉(zhuǎn)360度就一定會回到原點。而電子是有自旋的，轉(zhuǎn)360度卻不會回到原點，這是我們學(xué)非常基礎(chǔ)的量子力學(xué)時就會了解的奇妙現(xiàn)象。我們利用電子這個奇妙的現(xiàn)象，或者在某種程度上說是拓撲的原理，使不同“車道”能夠分開。
科學(xué)的發(fā)現(xiàn)對技術(shù)革命會產(chǎn)生怎樣的影響？20世紀20年代量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)使人們懂得電子一旦有波動性之后就有了能隙的概念，從而大大深化了對半導(dǎo)體的理解，推動半導(dǎo)體技術(shù)的蓬勃發(fā)展，這是量子力學(xué)基本的發(fā)現(xiàn)帶來的技術(shù)革命。20世紀初另外一個偉大的革命就是愛因斯坦的相對論，大家知道這是非常奇妙的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。相對論產(chǎn)生了一些非常奇妙的預(yù)言，只能在高能世界中被觀察到，對我們的日常生活影響不大。相對論預(yù)言了電子公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的耦合，這在拓撲絕緣體中有重要的作用。近年來拓撲絕緣體的發(fā)現(xiàn)表明，愛因斯坦的相對論有可能在產(chǎn)業(yè)革命中真正起到非常重要的作用。
為什么會有這樣的原理呢？我們看電子的世界，可以拿宏觀世界來作比方，比如在宏觀世界里看到地球繞著太陽轉(zhuǎn)，同時又有自轉(zhuǎn)，地球自轉(zhuǎn)一次是一天，繞著太陽公轉(zhuǎn)一次就是一年。同樣的，在微觀世界里電子也有公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)。但是愛因斯坦的相對論做出了非常奇妙的預(yù)言———電子自旋和公轉(zhuǎn)有非常本真性的耦合。我們利用相對論的效應(yīng)來預(yù)言，有很多材料能夠達到這種自旋軌道的耦合，并且用這個原理使得它的軌道自動分開。（圖2）非常幸運的是，我們的這一預(yù)言在 2007年被德國的科學(xué)實驗小組證明，并被《科學(xué)》雜志評為2007年“全球十大重要科學(xué)突破”之一，成為科學(xué)史上理論預(yù)言的成功故事。
圖2.凝聚態(tài)物理中的量子力學(xué)與俠義相對論。
中國的貢獻
回想1978年，那時剛剛恢復(fù)高考、實行改革開放，我還沒有讀高中，就試著參加了高考，考上了大學(xué)。那之后，我們國家又開始派遣留學(xué)生出國，我被選拔到德國柏林大學(xué)深造。后來我在斯坦福大學(xué)任教時，總是惦記著祖國的發(fā)展。
那時，我們的成果雖然被評為“全球十大重要科學(xué)突破”之一，但在整個科學(xué)界的影響還是相當(dāng)小的，因為實驗中的材料比較稀有，還沒有在整體上推動技術(shù)的發(fā)展。2009年我開始與國內(nèi)同行進行非常廣泛的合作。這個預(yù)言在 2006年初見端倪，而在與國內(nèi)同行開展廣泛合作以后，中國在這個領(lǐng)域里發(fā)揮了關(guān)鍵性的作用。
其中，我們和中科院物理所進行了廣泛合作，因為他們對材料科學(xué)非常了解，我們也知道這些奇妙的拓撲絕緣體材料在元素周期表右下角可以找到。我們和物理所合作，發(fā)現(xiàn)了一系列三維的拓撲絕緣體新材料。這種材料在室溫下可以很好地工作，和半導(dǎo)體不一樣，這種材料中有一個表面態(tài)，這會起到非常奇妙的作用。
圖3.神奇的拓撲絕緣體。
圖4.分子束外延-掃描隧道顯微鏡-分子辨光電子譜。
簡單來講，拓撲絕緣體的內(nèi)部是絕緣的，表面是導(dǎo)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，就是體內(nèi)不導(dǎo)電，表面導(dǎo)電。但是這種辦法是不穩(wěn)定的，跟大氣反應(yīng)后本來表面可以導(dǎo)電，但是過一段時間就會消失。因此陶瓷僅是一個常規(guī)絕緣體。但是拓撲絕緣體是非常奇妙的現(xiàn)象，它的導(dǎo)電層是自己產(chǎn)生的，不需要外界任何的條件。如果跟外面大氣反應(yīng)之后，上面一層消失，下面會自動產(chǎn)生新的導(dǎo)電層，某種程度上可以說是永不消失的鍍金。（圖3）我與清華大學(xué)薛其坤院士帶領(lǐng)的研究組合作，在裝置上已經(jīng)達到國際一流的水平（圖4）。但是我們知道，要想取得科學(xué)發(fā)現(xiàn)，光有第一流的儀器是不夠的，還需要有第一流的想法，才能真正走到科學(xué)的最前沿。在清華，我們成功地結(jié)合了理論和實驗研究，真正取得了舉世矚目的成績。
（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2012-12-28 第1906期
