创新在中国（一）

张首晟

　　张首晟，美国斯坦福大学教授，我校高等研究院访问教授、清华大学量子科学与技术研究中心共同主任。世界上第一个被实验结果证实其拓扑绝缘体理论预言的学者。他领导团队提出的“量子自旋霍尔效应”被《科学》杂志评为2007年“全球十大重要科学突破”之一。2010年获欧洲物理学会颁发的 “欧洲物理奖”，2012年先后获得美国物理学会颁发的凝聚态物理最高奖“奥利弗·巴克利奖”以及国际理论物理学领域最高奖“狄拉克奖”。

　　在这篇报告里，我会讲到材料科学中与拓扑学相关的一些重大发现。如图1，上边是一个二维拓扑材料，下边是一个三维拓扑材料，这些材料很可能在新一代的信息产业中起到革命性的作用。中间有一个标签，有时它看起来像一个茶杯，有时它看起来像一个油炸圈饼，它随着时间在相互转换，这是数学里非常深奥的“拓扑”的概念。我想通过这个例子来说明技术创新和科学发现之间的关系。

图1.

　　我所在团队的这个发现和创新，当然有相当一部分是在国外做出来的，但也有很多工作是在中国做出来的。我想介绍一下在国内科学创新方面的工作和经验。

产业的“危”与科学的“机”

　　我们知道今天的信息社会之所以能够蓬勃发展，和一个经验定律分不开，这就是摩尔定律———计算能力每过18个月就加倍一次，这样的发展规律是一个指数发展的规律。在过去五六十年的时间里，整个信息产业的发展尤其是计算能力的发展，基本上是一个技术演化的问题。而在这之前，则是一个科学问题：量子的发现使我们理解了电子的波动性，一旦有了波动性之后就有了能隙的概念，有了能隙的概念就有电子和空穴能够导电的概念，然后就有了三极管的概念。所以在一开始，是上世纪二三十年代量子引进电子波动性的科学发现，带来了今天的产业革命。不过这之后，过去五六十年里整个信息产业的发展基本是按摩尔定律这个 “机械的”规律来进行的。

　　但是业界普遍认为，现在已经看到了按传统技术方法根本解决不了的问题。最大的问题就是过去这些年只有技术的革新，而不是科学发现在推动这个领域的发展。我们只是把三极管越做越小，但没有改变它根本的工作原理。每个三极管在运算的过程中都需要发热，如果三极管的数字每过18个月加倍一次，计算机芯片的功耗也是每过18个月加倍一次，现在已经很难继续按摩尔定律的规律来发展。图2显示的是当芯片随着技术发展越变越小时，它在运转过程中的热冷却根本没有办法解决。

图2.功耗是摩尔定律的最大障碍。现代芯片处理器消耗100瓦的功率，其中20%浪费在晶体管栅极的泄露中。

　　这样的困境对技术发展来说是个瓶颈，对科学发现来说却是一个创新的机会。半导体产业和能源产业都正面临着历史上前所未有的危机，基础科学则以此为契机，探索新的材料和新的原理。

　　我们古老文化中 “危机”这个词能够体现出，危险同时也是机遇。摩尔定律的瓶颈，对我们科学工作者来说是一个非常好的机会，对科学的整体展现和我们中国的发展来说同样是一个机会。因为中国的信息产业在基础技术方面还落后不少，比如最核心的芯片技术都掌握在国外大公司手中。我们在现有的技术环境下要想实现超越是非常困难的，真正的超越还是需要找到新的技术。我们现在面临的是业界的危机，却是科学创新的机会，也是中国能够真正走到世界前列的机会。对中国来说，这是一个引领创新并超越其他国家的千载难逢的战略机遇。

量子世界的“高速公路”

　　新的材料来自新的原理。以水为例，自然界水分子的构成有三个不同的态，同样一个水分子，可以变成液态、气体或固态。同样的，过去认为电子可以形成半导体、绝缘体或超导态这些不同的态。而我们这次发现电子会以一种新的拓扑态和非常奇异的功能来解决技术上的危机，带来科学上的革命。

　　为什么今天的芯片在工作的时候有那么大的功耗？主要是因为过去五六十年间，电子在芯片中运转时类似一辆高速的跑车在拥挤的集市里开，行驶的时候既有电子之间的相互碰撞，也有电子和杂质之间的碰撞。（图3小图）如果我们看懂这张图片的话，创新的灵感就很容易来到———既然这辆汽车可以在集市里运行，它肯定会有一个像高速公路那样新的工作原理。（图3）这个原理是什么呢？就是各行其道，互不干扰，把“车”分成不同的车道。相反的运动是分割开来的，一旦分割开来就会减少碰撞的概率，运行过程也会非常的顺。这就是我们经过思考得出的新理念。

图3.

量子霍尔效应

　　在人类的世界里，修好高速公路后会定一个法规，很自然地划分出两个不同的车道。但是在微观世界里、电子世界中怎么寻找自然的规律，使得电子能够有各行其道、互不干扰的运行方式呢？这就要说到量子霍尔效应。量子霍尔效应是凝聚态物理领域一个重大的科学发现，关于它的研究曾经两次获得诺贝尔奖。它的科学道理非常高深，我们姑且用非常简单的公式来表示———2=1+1。比如我们在一维空间，有两种走法，可以往前走，也可以往回走，往前走的电子，一旦碰到障碍就会弹回来。量子霍尔效应就是把向前走或向后走这两种不同的运动方式在空间上分开，就是刚才讲的高速公路的原理，使得向前走的电子在系统的上面，往回走的电子在系统的下面。

　　这个现象在20世纪 80年代被发现，称之为量子霍尔效应。比如电子在系统上面走的时候，碰到杂质会简单绕一个弯继续向前走，就像我们高速公路的原理一样，碰撞一下很难跳到车道的另外一边。这个量子态之所以形成，是因为有强大的外加磁场。为什么电子会知道在上面是往前走，在下面是往回走，这是因为有强磁场的影响，使得电子形成这样的运动方式。量子霍尔效应是非常伟大的发现，但是它其实没有特别重大的实用价值———因为它的实现一定要用到非常强的磁场，而我们的电脑不能用这种方式。

　　（未完待续。本文根据张首晟教授2012年9月8日在第十四届中国科协年会开幕式上所作的大会特邀报告录音稿编辑整理。根据编排需要，小标题为编者另加。）

  来源：新清华2012-12-21 第1905期