拓?fù)浣^緣體開(kāi)啟物理研究新紀(jì)年

文/高妍 楊進(jìn)平

拓?fù)浣^緣體開(kāi)啟物理研究新紀(jì)年

文/高妍 楊進(jìn)平

2009年，張首晟與中科院物理所的理論團(tuán)從理論上預(yù)期了三維拓?fù)浣^緣體的存在。

隨后，由清華大學(xué)物理系以及中科院物理所組成的實(shí)驗(yàn)研究團(tuán)隊(duì)，制備出了高質(zhì)量的薄膜。

拓?fù)浣^緣體

拓?fù)浣^緣體，近年發(fā)現(xiàn)的一種全新量子物質(zhì)態(tài)，最早在2005年提出，因其特異結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能而備受關(guān)注。

拓?fù)浣^緣體的出現(xiàn)為未來(lái)電子技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路。

拓?fù)?，最抽象的?shù)學(xué)概念之一。

絕緣體，一種非常具體的材料。

拓?fù)浣^緣體，近年發(fā)現(xiàn)的一種全新量子物質(zhì)態(tài)。這個(gè)新奇的概念，不僅將兩個(gè)隔行隔山的名詞聯(lián)系在了一起，更因自身奇特的電子結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能成為凝聚態(tài)理論研究的熱門領(lǐng)域。

張首晟，“千人計(jì)劃”入選者，清華大學(xué)高等研究院、斯坦福大學(xué)物理系講座教授，拓?fù)浣^緣體研究領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)者之一。

新奇的拓?fù)浣^緣體

眾所周知，傳統(tǒng)固體材料可按導(dǎo)電性質(zhì)劃分為絕緣體和導(dǎo)體，絕緣體不導(dǎo)電，而導(dǎo)體導(dǎo)電，多為金屬材料。無(wú)論導(dǎo)體抑或絕緣體，盡管可在一定情況下發(fā)生轉(zhuǎn)化，但相對(duì)來(lái)說(shuō)，它們的導(dǎo)電屬性是確定的，非此即彼。

而拓?fù)浣^緣體卻完全不同。張首晟介紹，從理論上分析，拓?fù)浣^緣體材料的體電子態(tài)是有能隙的絕緣態(tài)，而其表面卻是無(wú)能隙的金屬態(tài)。簡(jiǎn)而概之，拓?fù)浣^緣體具有絕緣體和導(dǎo)體的雙重性，內(nèi)部是絕緣體，表面卻是金屬性的導(dǎo)體。

同時(shí)，拓?fù)浣^緣體的表面金屬態(tài)也完全不同于一般意義上由于表面未飽和鍵或者是表面重構(gòu)導(dǎo)致的表面態(tài)，其表面金屬態(tài)完全由材料體電子態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定，與表面的具體結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。也正是因?yàn)槠浔砻娼饘賾B(tài)的出現(xiàn)由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)稱性所決定，所以它的存在非常穩(wěn)定，基本不會(huì)受到雜質(zhì)與無(wú)序的影響。

拓?fù)浣^緣體的特異結(jié)構(gòu)決定了拓?fù)浣^緣體材料具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。首先，這類材料是純的化學(xué)相，非常穩(wěn)定且容易合成；其次，這類材料表面態(tài)中只有一個(gè)狄拉克點(diǎn)存在，是最簡(jiǎn)單的強(qiáng)拓?fù)浣^緣體，這種簡(jiǎn)單性為理論模型的研究提供了很好的平臺(tái)；第三，也是非常吸引人的一點(diǎn)，該材料的體能隙非常大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出室溫能量尺度，這也意味著有可能實(shí)現(xiàn)室溫低能耗的自旋電子器件。

這些重要特征保證了拓?fù)浣^緣體將有可能在未來(lái)的電子技術(shù)發(fā)展中獲得重要的應(yīng)用，有著巨大的應(yīng)用潛力。目前，尋找具有足夠大的體能隙并且具有化學(xué)穩(wěn)定性的強(qiáng)拓?fù)浣^緣體材料，已經(jīng)成為人們關(guān)注和研究的焦點(diǎn)。

拓?fù)浣^緣體的前世今生

拓?fù)浣^緣體的概念最早在2005年提出。張首晟介紹，這一概念的提出最早只是一個(gè)理論預(yù)言。

電子能量消耗是目前半導(dǎo)體行業(yè)乃至整個(gè)信息技術(shù)發(fā)展遇到的最大難題，計(jì)算過(guò)程中電子的無(wú)序碰撞便是造成電子能量消耗的最大原因。而拓?fù)浣^緣體概念的根本前提就是電子之間“各行其道，互不干擾”——將電子有序分開(kāi)，避免碰撞帶來(lái)無(wú)謂消耗，再推動(dòng)其各自高速運(yùn)行，最終提升運(yùn)算速度。

“我們預(yù)言了一些材料，它們有非常奇妙的性質(zhì)。如果把這些材料變成二維體系，那你會(huì)看到：電子全部行走在邊緣上，并且各行其道、互不干擾。”張首晟解釋說(shuō)。在這個(gè)預(yù)言里，他設(shè)定了具體的現(xiàn)象，預(yù)言了哪些材料在哪種情況下采用何種方法才會(huì)實(shí)現(xiàn)哪種效應(yīng)。而要讓美好愿望變成現(xiàn)實(shí)，就要采用科學(xué)的方法和手段，充分利用自然規(guī)律來(lái)實(shí)現(xiàn)。“我們主要利用量子自旋摩爾效應(yīng)，通過(guò)調(diào)控電子的自旋來(lái)改變它的運(yùn)動(dòng)方式?！?/p>

21世紀(jì)初，張首晟帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研究?jī)删S拓?fù)浣^緣體，也就是量子自旋霍爾效應(yīng)。

霍爾效應(yīng)最初由科學(xué)家埃德溫?霍爾在19世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)，即通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)作用下能使電流運(yùn)動(dòng)方向改變90o。1980年，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)在極低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)條件下，霍爾效應(yīng)會(huì)呈現(xiàn)電子按順時(shí)針沿導(dǎo)體邊緣運(yùn)動(dòng)，即量子化的表現(xiàn)形式，這就是量子霍爾效應(yīng)。量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)給物理學(xué)界帶來(lái)了重大的影響，曾兩次被授于諾貝爾獎(jiǎng)。與無(wú)序運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致熱量消耗相比，量子霍爾效應(yīng)中的電流幾乎沒(méi)有能量損失，由此引發(fā)了科學(xué)界研制新的電腦元器件的設(shè)想。

電子是電流的載體，它除了負(fù)有電荷以外，還具有一種叫做自旋的性質(zhì)，這種自旋也會(huì)出現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)，這就是“量子自旋霍爾效應(yīng)”。在這種效應(yīng)下，同樣沒(méi)有能量損耗，所不同的是它不需要強(qiáng)磁場(chǎng)和極低溫的苛刻條件。如果能夠在室溫下實(shí)現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)，這無(wú)疑會(huì)突破摩爾定律的限制，很有可能催生新的幾乎不發(fā)熱的電腦元器件。

2006年，張首晟小組提出了“量子自旋霍爾效應(yīng)”的預(yù)估理論，并在《科學(xué)》雜志上發(fā)表。2007年，“量子自旋霍爾效應(yīng)”在其合作伙伴德國(guó)Wurzburg大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了確認(rèn)，并在碲化汞半導(dǎo)體材料上實(shí)驗(yàn)成功。同年，“量子自旋霍爾效應(yīng)”被納入《科學(xué)》雜志2007年重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。也正是因?yàn)檫@一開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)，張首晟于2010年被授予“歐洲物理獎(jiǎng)”。

在這之后，張首晟加強(qiáng)了與國(guó)內(nèi)研究單位的合作。2009年，張首晟與中科院物理所方忠研究員、戴希研究員以及張海軍博士組成的理論團(tuán)隊(duì)向世界宣布，他們從理論上預(yù)言了三維拓?fù)浣^緣體的存在。

隨后，由清華大學(xué)物理系薛其坤院士、陳曦教授和賈金鋒教授以及中科院物理所馬旭村研究員等組成的實(shí)驗(yàn)研究團(tuán)隊(duì)，也在國(guó)際上首先發(fā)展了三維拓?fù)浣^緣體的分子束外延生長(zhǎng)技術(shù)，制備出了高質(zhì)量的薄膜。在此基礎(chǔ)上，他們利用超低溫掃描隧道顯微鏡和角分辨光電子譜等實(shí)驗(yàn)手段，從實(shí)驗(yàn)上證明了三維拓?fù)浣^緣體一系列重要的特征，并在三維拓?fù)浣^緣體材料制備方面取得了一定的進(jìn)展。

張首晟他們的成功得到了世界范圍的廣泛關(guān)注，使我國(guó)在這一研究領(lǐng)域達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平，有望引領(lǐng)世界發(fā)展趨勢(shì)。這一成果，被評(píng)為當(dāng)年中國(guó)十大科技進(jìn)展第一名。

張首晟教授(左)與美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)

2011年9月21日，中國(guó)科協(xié)第十三屆年會(huì)上，求是獎(jiǎng)年度頒獎(jiǎng)典禮隆重舉行。

張首晟憑借在拓?fù)浣^緣體領(lǐng)域所作的開(kāi)創(chuàng)性工作獲得了2011年度“求是杰出科學(xué)家獎(jiǎng)”。清華大學(xué)物理系薛其坤、陳曦、賈金鋒以及中科院物理所方忠、馬旭村、戴希、張海軍也因三維拓?fù)浣^緣體項(xiàng)目獲得“求是杰出科技成就集體獎(jiǎng)”。而之前，“求是杰出科學(xué)家獎(jiǎng)”曾多次授于中國(guó)兩彈一星的元?jiǎng)住?/p>

兩項(xiàng)大獎(jiǎng)同時(shí)頒給拓?fù)浣^緣相關(guān)研究人員，一時(shí)間，拓?fù)浣^緣體和張首晟成為業(yè)內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)。

“作為一個(gè)中國(guó)人，能夠在國(guó)內(nèi)得到這么高的榮譽(yù)，能夠與為國(guó)家作出過(guò)突出貢獻(xiàn)的前輩們得到同一個(gè)獎(jiǎng)，真的是莫大的鼓舞。另一方面，個(gè)人和集體同時(shí)獲獎(jiǎng)，更是對(duì)團(tuán)隊(duì)的肯定和認(rèn)可?！睆埵钻蓮?qiáng)調(diào)，不可否認(rèn)，正是因?yàn)槔碚撆c實(shí)驗(yàn)兩個(gè)團(tuán)隊(duì)在研究過(guò)程中進(jìn)行了廣泛而深入的合作，才使得他們能夠在較短時(shí)間內(nèi)取得一系列重要進(jìn)展。這種創(chuàng)新性的合作模式，將理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，充分發(fā)揮了不同專長(zhǎng)研究人員的優(yōu)勢(shì)，能夠拓寬研究者的視野，更容易激發(fā)出科技創(chuàng)新的火花，為今后科研工作的開(kāi)展提供了很好的借鑒。

就在2012年2月底隆重召開(kāi)的美國(guó)物理學(xué)年會(huì)上，張首晟又榮獲了該組織在凝聚態(tài)領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)——Oliver Buckley 獎(jiǎng)，其研究成果再次得到世界范圍的認(rèn)可。

“雖然我們實(shí)現(xiàn)了理論上的預(yù)言，得到了比較清晰的圖像，但在具體材料的制備實(shí)現(xiàn)上還是存在很多困難，需要進(jìn)一步攻關(guān)努力?！苯酉聛?lái)，拓?fù)浣^緣體的研究重點(diǎn)將放在材料制備上。

在悠閑中追求真理

張首晟有著非同尋常的學(xué)習(xí)和科研經(jīng)歷。1978年，張首晟15歲，在沒(méi)有讀過(guò)高中的情況下，他完全依靠自學(xué)考入了復(fù)旦大學(xué)，一年后又赴德國(guó)求學(xué)于柏林自由大學(xué)。1983年取得物理學(xué)碩士學(xué)位后，又赴美國(guó)紐約州立大學(xué)石溪分校攻取博士學(xué)位，師從楊振寧教授。

1987年，他進(jìn)入加州大學(xué)Santa Barbara分校進(jìn)行博士后研究，直到1989年博士后出站，張首晟以高級(jí)研究員的身份開(kāi)始了在IBM研究中心為期4年的科研工作。在此期間，他還因在半導(dǎo)體物理方面的著名研究獲得了“杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”。

1993年，張首晟受聘于斯坦福大學(xué)物理系，并憑借過(guò)人的天賦、刻苦的努力和出色的研究成果，僅用兩年的時(shí)間，就成為斯坦福最年輕的正教授，年僅32歲。

在近30年的海外學(xué)習(xí)和科研過(guò)程中，張首晟在高溫超導(dǎo)、量子霍爾效應(yīng)、自旋電子學(xué)、強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)等方面進(jìn)行了深入而細(xì)致的研究，尤其在凝聚態(tài)物理等研究方向上取得了大量國(guó)際一流的原始創(chuàng)新成果，提出了基于超導(dǎo)與反鐵磁相SO(5)對(duì)稱性的統(tǒng)一理論、室溫下無(wú)耗散的量子自旋流、四維量子霍爾效應(yīng)等理論。

與此同時(shí)，他在世界一流刊物上發(fā)表論文100多篇，同時(shí)在物理學(xué)最具權(quán)威的刊物Physical Review Letters上發(fā)表了37篇高水平論文(影響因子7.2)。近年又在《自然》和《科學(xué)》雜志上發(fā)表了6篇有極大反響的論文，被SCI收錄雜志引用5000多次。

這一系列成果的獲得，使張首晟成為世界頂級(jí)的物理學(xué)家。而多個(gè)國(guó)家和科研機(jī)構(gòu)的更換，不僅使他積累了豐富的研究經(jīng)驗(yàn)和人脈資源，更成就了他國(guó)際化的研究視野和理念，也為他今后的國(guó)際化合作研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

成績(jī)斐然的背后，張首晟并沒(méi)有為繁重的工作所累，反而在勞逸結(jié)合間充分享受科學(xué)研究這一“奇妙”的過(guò)程。

他說(shuō)，就像人類追求真善美一樣，科學(xué)研究也是一個(gè)追求美的過(guò)程。而在這個(gè)過(guò)程中，悠閑的環(huán)境和淡然的心態(tài)至關(guān)重要。因?yàn)椋翱茖W(xué)理論研究與工程應(yīng)用研究是有差別的。工程研究有明確目標(biāo)，只要肯踏實(shí)研究遲早都能解決；而科學(xué)理論的研究則是完全未知的，要有一往無(wú)前的信念、萬(wàn)折不撓的決心和一旦失敗就很可能全軍覆沒(méi)的心理準(zhǔn)備?！睆埵钻烧J(rèn)為，現(xiàn)在的中國(guó)所缺少的正是這樣一個(gè)環(huán)境，一個(gè)自由、寬容能夠讓大家全心追求美，在美中追求真理的環(huán)境?！叭酥挥性诜潘傻臓顟B(tài)下，才會(huì)有更活躍的思維，才能看得更遠(yuǎn)，才能從一棵樹看到一片森林。”

張首晟教授(左)上臺(tái)領(lǐng)取美國(guó)物理學(xué)會(huì)凝聚態(tài)物理最高獎(jiǎng)——Oliver Buckley 獎(jiǎng)

科學(xué)理論研究存在極大的風(fēng)險(xiǎn)，選擇科研方向有時(shí)候全憑直覺(jué)。因此張首晟非常注重科學(xué)史的學(xué)習(xí)，不僅學(xué)習(xí)知識(shí)本身，更重視了解知識(shí)發(fā)現(xiàn)的過(guò)程?！霸诟拍钸€比較模糊的時(shí)候，為什么有的人就能夠看得遠(yuǎn)、看得準(zhǔn)？”張首晟說(shuō)：“我們就是要培養(yǎng)這種嗅覺(jué)和品味?！彼詮埵钻稍谂囵B(yǎng)學(xué)生的時(shí)候，便從這一點(diǎn)出發(fā)，以國(guó)際化的理念提攜后生、打造團(tuán)隊(duì)，為世界物理學(xué)界不斷輸送著具備突出研究能力、國(guó)際化研究視野、強(qiáng)烈自主創(chuàng)新精神和合作意識(shí)的優(yōu)秀研究人才。目前他己用這種理念培養(yǎng)了一批優(yōu)秀的中外學(xué)生，在世界一流的高校任教，其中曾獲2010年美國(guó)斯隆研究獎(jiǎng)的清華大學(xué)博士生祁曉亮就是一個(gè)最成功的例子。

作為一名科研工作者，張首晟的身上時(shí)常透出濃濃的書卷氣，言談間總是富含哲理。盛名之下的他，淡然面對(duì)身外的一切。他說(shuō)自己會(huì)利用全世界最先進(jìn)的資源，在拓?fù)浣^緣體領(lǐng)域勇往直前，去為科學(xué)的發(fā)展和世界的進(jìn)步帶去力所能及的改變。