物理學家張首晟在上海市科協(xié)年會上發(fā)表演講——

希望下一個是拓撲絕緣材料時代

來源：文匯報 2016-9-20 沈湫莎

　　“我們生活在信息社會高速發(fā)展的時代，我們的信息處理能力以摩爾定律的速度增長———每過18個月信息處理能力翻一倍，不過，這條路已經(jīng)走到了盡頭。”在昨天舉行的上海市科協(xié)年會上，斯坦福大學終身教授、清華大學教授、中國科學院外籍院士張首晟做了主題為　《電子高速公路》　的演講。讓雜亂無章的電子有序運動，緩解電能的損耗，這是挽救摩爾定律的“大招”嗎？

電子高速公路“挽救”摩爾定律

　　信息社會是建筑在光子和電子這兩個基本粒子上的，光子是用來通訊的，電子是用來做信息處理的。光子相互之間沒有很強的相互作用，在傳播過程中不容易受干擾，所以用光線光纖作為通訊工具，但電子間有很強的相互作用，當芯片中的電子數(shù)量以摩爾定律的速度聚集起來后，它們運動時會產(chǎn)生大量熱量。

　　“如果每個三極管基本工作原理不改變，密度每過18個月翻倍，它產(chǎn)生的熱量也翻倍。現(xiàn)在把筆記本電腦放在你的大腿上面，你會覺得非常燙，如果繼續(xù)發(fā)展下去，那么筆記本將被燒掉。”張首晟說。

　　“現(xiàn)在的電子運動如同一輛跑車在集市上，集市的擁堵已經(jīng)嚴重影響跑車的速度，那么為何不為跑車建一條“高速公路”呢？”張首晟說。1982年提出的量子霍爾效應就基于這個想法，在強磁場下，大部分電子在原地打轉(zhuǎn)，但在芯片緣邊的電子只能打半個轉(zhuǎn)，這就表現(xiàn)為芯片表面的電子往前走，邊緣的往后走，芯片內(nèi)部處于絕緣狀態(tài)。

　　然而，量子霍爾效應沒有應用價值，因為它不僅需要加入強磁場，還需要在極低的溫度下運行。張首晟在此基礎(chǔ)上，利用電子自轉(zhuǎn)方向與電流方向之間的規(guī)律讓電子可以有序運動，如同為跑車配備了“導航儀”，量子自旋霍爾效應橫空出世。

　　這一理論的問世，為瀕臨絕境的摩爾定律帶來了希望。使用這一原理的計算機，電流流動時候幾乎沒有電阻，電子計算時也沒有能量損耗。

未來最偉大發(fā)現(xiàn)將是“跨”出來的

　　找到了建造“高速公路”的原理，張首晟還需要找到建造“高速公路”的材料，否則這個發(fā)現(xiàn)仍然無法變成產(chǎn)品，進入人們生活。

　　3年前，張首晟預言了一種能夠用于建造電子高速公路的新材料———單層錫原子材料。他將之命名為Stanene，取自錫的拉丁名　（stannum）　和石墨烯（Graphene）　的結(jié)合。幸運的是，僅一年后，就有人驗證了他的預言，目前，Stanene的搜索量爆炸式增長，上海在這方面的研究上，已經(jīng)走在世界前列。

　　張首晟是少有的能把所有道理都用打比方的方式講出來的科學家。比如他既可以把電子運動比作高速公路，又可以對比成星球的轉(zhuǎn)動；絕緣體能比作空的或滿的水盆，半導體就是半滿的水盆；量子霍爾效應中電子的一來一回比作“2=1+1”……這種思維方式，讓他在面對復雜事物時，能迅速簡化為本質(zhì)。

　　在張首晟看來，現(xiàn)在想要做出偉大的發(fā)現(xiàn)，得跨界。他提出的拓撲絕緣體材料中的拓撲，就取自數(shù)學。拓撲只考慮物體間的位置關(guān)系而不考慮它們的形狀和大小，如同只要知道一個多面體有幾個點，就能知道它有幾個面。面對電子高速公路的概念，盡管進入的電子運動錯綜復雜，但只要抓住有幾條“車道”就行。

　　“用拓撲學的角度來看，甜甜圈和水杯是同一種東西，因為中間都有一個圈。”張首晟開玩笑說，“這個本質(zhì)叫做拓撲不變量。”

　　身在科學前沿的張首晟非常關(guān)心產(chǎn)業(yè)化，他認為只要真正解決科學問題，才能帶來引起世界變革的商機，美國硅谷就是借助硅材料發(fā)展起來的。下一個“爆點”在哪里？　他對自己的拓撲絕緣材料信心滿滿。“你看人類的時代都是由材料命名的，青銅時代、鐵器時代、鋼鐵時代、石墨時代，我希望下一個時代是拓撲絕緣材料時代。”張首晟說。

編輯：苑苑