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發現「天使粒子」的張首晟走了,他的研究到底和晶片有沒有關係?


- 2018年12月07日09時53分
- 科學文摘 / 中國先進制造技術論壇

中國先進制造技術論壇

本文綜合自科技日報、每日經濟新聞

張首晟(圖片來源:視頻截圖)

世事無常,在這個寒意漸濃的冬天,壞消息一個一個傳來。


昨日(12月6日),張首晟親屬確認,美國當地時間12月1日,美國華裔物理學家,美國史丹福大學終身教授、美國科學院院士、中科院外籍院士,丹華資本創始人張首晟去世,終年55歲。張首晟家屬在一份聲明中表示,張首晟去世前曾和抑鬱症作鬥爭。

張首晟教授家人聲明:

我們悲傷地告知您,我們摯愛的張首晟在與抑鬱症抗爭之後,於(加州當地時間)12月1日星期六去世。

雖然很多人知道張首晟是著名的科學家和思考者,但他同時也曾作為一名丈夫和父親被我們深愛著。張首晟生前很珍惜他和家人在一起的美好時光,這比他的其他任何事情都重要,他也會為我們擠出一切可能的時間。在我們全家一起度假的時候,他喜歡帶我們去看地球上最美麗的自然風光,和我們分享我們所到之處的古老歷史故事,並鼓勵我們去不斷地思考。張首晟渴望通過科學研究見證世界,他把一種富有感染力的好奇心帶給了全世界。他最喜歡的一首詩是威廉�布萊克(William

Blake)的,這首詩也表達了他對無限探索和發現美好人生的追求:

一花一世界,一沙一天國,


君掌盛無邊,剎那含永劫。(李叔同 譯)

在我們面臨這一災難性的消息時,我們對我們得到的支持和慰問深表感謝。但與此同時,我們也希望公眾尊重我們的隱私。

深深的遺憾。

芭芭拉、史蒂芬妮,布萊恩和露絲敬上

史丹福大學應用物理學教授Steven Kivelson悼念稱,張首晟的離世是"一個毀滅性的損失"、"他對各種學科的思想和學術的熱愛,生命不應如此結束。"張首晟生前獲得了除了諾貝爾獎的幾乎所有的物理界重量級獎項,而他的老師、知名科學家楊振寧曾表示,對於張首晟來說,獲得諾貝爾獎只是時間問題。

曾被稱為離諾獎最近的人

張首晟被稱作華人科學家里離諾貝爾獎最近的人選之一。

2014年,中科院物理所研究員丁洪曾在預測諾貝爾獎得主時表示,張首晟很有可能摘得諾獎。

1987年張首晟博士畢業時與楊振寧的合影

張首晟領導的團隊2006年提出了「量子自旋霍爾效應」,將其基於晶片業未來提出的新構想——通過控制電子自旋運動來降低能耗——在理論上完成了預言。2007年,張首晟發現的「量子自旋霍爾效應」被《科學》雜誌評為當年的「全球十大重要科學突破」之一。

美國科學家埃德溫·霍爾在19世紀末發現,通電導體在磁場作用下能使電流運動方向改變90�,這被稱作霍爾效應。1980年,科學家又發現在極低溫和強磁場條件下,霍爾效應呈現電子按順時針沿導體邊緣運動的現象,這就是量子霍爾效應。與無序運動導致熱量產生相比,電子保持秩序狀態則幾乎沒有能量損耗,由此引發了科學界研製新的電腦元器件的設想。

發現「天使粒子」的張首晟走了,他的研究到底和晶片有沒有關係?圖片

但是,量子霍爾效應需要苛刻的條件。張首晟設想,能否在正常條件下,讓電子跳舞從雜亂無章的迪斯科到井然有序的集體舞。他研究發現,電子如同地球自轉一樣,有一種叫做自旋的基本特性,自旋向上的沿逆時針運動,自旋向下的沿順時針運動。這種自旋也會產生量子霍爾效應,這就是量子自旋霍爾效應。它不僅沒有能量損耗,並且不需要強磁場,也可在室溫環境下實現。

他摘得了諸多重量級獎,比如歐洲物理獎、美國物理學會巴克萊獎、國際理論物理學中心狄拉克獎、尤里基礎物理學獎,還獲得了富蘭克林獎章。

2017年7月,張首晟與其他幾位華人科學家宣布發現馬約拉那費米子,並將其命名為「天使粒子」。張首晟今年1月接受科技日報記者採訪時介紹,「天使粒子」將有助於量子計算機的研發。他當時透露,正在規劃在該領域與國內高校進行更深入合作。

張首晟團隊搜尋手性Majorana費米子的實驗平台

「天使粒子」的發現引發公眾極大關注,但也因為媒體的表述一度引發了爭議。

實際上,這項實驗由由加州大學洛杉磯分校的王康隆團隊(UCLA Device Research Lab (Kang Wang Group))主導,上海科技大學合作,並由加州大學歐文分校、加州大學戴維斯分校協助、史丹福大學團隊的參與。實驗中觀測到了馬約拉納費米子模存在的證據,同時又極大程度上排除了其他因素的影響,成為馬約拉納准費米子存在的有力證據。

標準物理理論模型中,12種基本粒子被分成兩大家族:電子、質子等8種粒子組成的費米子家族和光子、介子等4種粒子組成的玻色子家族。一般認為,每一種粒子都有其反粒子,且狀態與粒子本身相反,粒子與反粒子相遇會瞬間湮滅。

但1937年,埃托雷·馬約拉納預言,有一類特殊的費米子,像光子等玻色子一樣,它們的反粒子就是自身,這種費米子被稱為「馬約拉納費米子」。

發現「天使粒子」的張首晟走了,他的研究到底和晶片有沒有關係?圖片

研究論文共同一作、加州大學洛杉磯分校的潘磊指出,所謂的發現天使粒子,並不是真正發現了馬約拉納費米子,而是發現了符合馬約拉納費米子性質的激發態。

馬約拉納費米子被認為是製造量子計算機的完美選擇。只要符合馬拉約那費米子的性質,就可以用來實現拓撲量子計算。拓撲量子計算機對外在噪聲的抵抗力比普通量子計算機更強,更具魯棒性。研究人員也表示,探測到這種粒子後,他們可以製備出電子晶片,實現基於這一粒子為基礎的拓撲量子計算機電腦晶片。

與國內高校合作非常成功

張首晟當時告訴記者,他在2009年作為「千人計劃」人才回到中國。這些年與國內高校和科研院所的合作十分成功,比如發現了三維拓撲絕緣體和量子反常霍爾效應。

「中國已經可以把從1到10,從10到100這种放大性的工作做好,需要更多從0到1的原創。」張首晟說,他的總體感受是,中國的科研越來越走向國際前沿。

張首晟還對國內年輕一代科學家在原創性研究方面寄予厚望。

「希望他們不要只是跟風,什麼熱門就做什麼,而是學會獨立判斷,真正用好奇心來驅動科學研究。」張首晟認為,好奇心驅動是做原創性工作最重要的素質之一。

張首晟說,要想催生出原創性研究,需要從教育模式和科研機制等方面營造更為有利的環境。他發現,很多中國人把科研理解為「攻關」。但「攻關」是有目標的,真正原創性的工作,很多時候沒有目標。

「應該允許科研計劃根據進展進行調整,甚至跟原來的想法完全不一樣。」張首晟介紹,美國有不同科研經費支持機構,包括美國國家科學基金會(NSF)、美國能源部(DOE)和美國國防部高級研究計劃局(DARPA)等。其中前兩者都允許對科研計劃進行修改,有時甚至允許科研人員重新調整研究方向。

他的研究到底和晶片有沒有關係?

幾乎所有人都感到震驚,於是「陰謀論」再度甚囂塵上。

有人列出了一系列似是而非的時間節點,顯得張首晟的去世仿佛和晶片產業有著千絲萬縷的聯繫。連12月3日荷蘭ASML供應商的火災,也成為陰謀論中的一環。

有媒體在闢謠中指出,張首晟的研究與晶片沒有直接關係。

可以說沒有直接關係,但確實有關係。

張首晟 資料圖

張首晟的兩大主要貢獻,一為發現量子自旋霍爾效應,二為提出拓撲絕緣體理論。

這兩者和信息技術產業是有關係的。

張首晟曾經打過一個比方:電子在晶片里的運動,仿佛一輛輛跑車在集市行駛。它們跑得雜亂無章,橫衝直撞,路線也是彎彎曲曲;於是不斷碰撞,消耗能量,產生熱量。

筆記本工作時間一長,你能感覺它在發燙,就是這個道理。

但在極低溫和強磁場條件下,電子可以保持有秩序的運動狀態。那麼,能不能在正常條件下,讓電子像高速公路上的汽車一樣,在單向車道上按照規則運行?

張首晟提出了量子自旋霍爾效應的理論預言。2007年,德國維爾茨堡大學的實驗室確認了量子自旋霍爾效應,並且在碲化汞半導體材料上實驗成功。

當電子不再橫衝直撞,能量損耗就能大大降低。這為製造新型的、低功耗自旋電子計算設備提供了一種可能性。

十年前,張首晟在接受科技日報記者採訪時就表示,他希望在通常的半導體矽材料上實現這一效應,未來5—10年這一效應可能直接應用在晶片產業上。而解決了散熱問題,降低了電晶體能耗,摩爾定律的壽命能夠延長。

不過,從今天來看,摩爾定律並沒有那麼快走向盡頭,而他的發現,也沒有那麼快就應用於產業。


再來看看拓撲絕緣體。

初中物理知識告訴我們,材料按照導電性質的不同分為導體和絕緣體。拓撲絕緣體因為電子運動「各行其道」,於是可以做到內在絕緣,表面導電。張首晟認為,這將成為一種取代半導體的新材料。

「等我們的科技實現之後,你的手機一個星期或一個月才需要充一次電。」張首晟說。

今年11月,中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心教授王兵和副教授趙愛迪研究團隊與清華大學助理教授徐勇、教授段文暉以及張首晟合作,成功製備出具有純平蜂窩結構的單層錫烯,並結合第一性原理計算證實了其存在拓撲能帶反轉及拓撲邊界態。

相關報導指出,錫烯是一種理想的大能隙二維拓撲絕緣體,有望實現室溫量子自旋霍爾效應,在拓撲電子學器件應用方面具有重要的意義。

但是,張首晟自己也說過,錫烯目前主要停留在實驗室階段,離應用量產還有距離。他也在2017年表示,希望未來5到10年拓撲絕緣體能夠走向工業化。

所以,張首晟教授的研究並非和晶片沒有關係。他研究的是未來的晶片材料,而非具體的晶片技術。其實,張首晟的這些基礎研究,如果能從理論走向應用,從實驗室走向工業化,確實可能引領信息技術的下一次革命。

但,客觀來說,也真的還需要時間。有晶片領域專家告訴科技日報記者,這需要的時間還真不短。

至於ASML的火災,網友關注重點未免有些偏移。

12月3日晚,荷蘭光刻機巨頭ASML的元器件供應商——Prodrive突發大火,ASML預計這場火災可能會影響到2019年年初的出貨計劃。

發現「天使粒子」的張首晟走了,他的研究到底和晶片有沒有關係?圖片

Prodrive工廠大火

ASML是全球許多大型計算機晶片廠商的核心光刻機供應商,主要客戶包括英特爾、三星和台積電等。光刻機精度,決定了晶片的上限,而ASML壟斷了頂級光刻機。

但注意了,這不是ASML自己的火災,也不存在摧毀了中國客戶訂單的問題。受到影響的不僅是中國企業,恐怕最為傷心淚流的是ASML自己。

一些事情確實發生了,在時間節點上確實有先後順序;但前後發生,並不一定因果相關,這是科學思維的常識。將獨立發生的事件聯繫在一起,營造出一種「意味深長」的氛圍,吸引了眼球,卻未必尊重了真相。

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本文來源:科技日報、每日經濟新聞,版權歸原作者所有。

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