創(chuàng)新在中國（二）
張首晟
奇妙的理論預(yù)言
我們團(tuán)隊(duì)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)動,，自旋向下的電子是逆時針運(yùn)動。我們利用這個原理,，在2006年進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(dá)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?yàn)榱孔邮澜缋镉幸恍┓浅Ｆ婷畹默F(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(diǎn),。而電子是有自旋的，轉(zhuǎn)360度卻不會回到原點(diǎn),，這是我們學(xué)非?；A(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?fù)涞脑?，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(jì)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(jì)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?fù)浣^緣體中有重要的作用。近年來拓?fù)浣^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(dá)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(yùn)的是，我們的這一預(yù)言在 2007年被德國的科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(xiàn)
回想1978年,，那時剛剛恢復(fù)高考、實(shí)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?yàn)閷?shí)驗(yàn)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(jìn)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(jìn)行了廣泛合作，因?yàn)樗麄儗Σ牧峡茖W(xué)非常了解,，我們也知道這些奇妙的拓?fù)浣^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?fù)浣^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?fù)浣^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?fù)浣^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?fù)浣^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(dá)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(shí)驗(yàn)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(bào)告錄音稿編輯整理。根據(jù)編排需要,，小標(biāo)題為編者另加,。）
來源：新清華2012-12-28 第1906期
