創(chuàng)新在中國(guó)（一）
張首晟
張首晟，美國(guó)斯坦福大學(xué)教授，我校高等研究院訪(fǎng)問(wèn)教授、清華大學(xué)量子科學(xué)與技術(shù)研究中心共同主任。世界上第一個(gè)被實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)其拓?fù)浣^緣體理論預(yù)言的學(xué)者。他領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)提出的“量子自旋霍爾效應(yīng)”被《科學(xué)》雜志評(píng)為2007年“全球十大重要科學(xué)突破”之一。2010年獲歐洲物理學(xué)會(huì)頒發(fā)的 “歐洲物理獎(jiǎng)”，2012年先后獲得美國(guó)物理學(xué)會(huì)頒發(fā)的凝聚態(tài)物理最高獎(jiǎng)“奧利弗·巴克利獎(jiǎng)”以及國(guó)際理論物理學(xué)領(lǐng)域最高獎(jiǎng)“狄拉克獎(jiǎng)”。
在這篇報(bào)告里，我會(huì)講到材料科學(xué)中與拓?fù)鋵W(xué)相關(guān)的一些重大發(fā)現(xiàn)。如圖1，上邊是一個(gè)二維拓?fù)洳牧?，下邊是一個(gè)三維拓?fù)洳牧?，這些材料很可能在新一代的信息產(chǎn)業(yè)中起到革命性的作用。中間有一個(gè)標(biāo)簽，有時(shí)它看起來(lái)像一個(gè)茶杯，有時(shí)它看起來(lái)像一個(gè)油炸圈餅，它隨著時(shí)間在相互轉(zhuǎn)換，這是數(shù)學(xué)里非常深?yuàn)W的“拓?fù)洹钡母拍?。我想通過(guò)這個(gè)例子來(lái)說(shuō)明技術(shù)創(chuàng)新和科學(xué)發(fā)現(xiàn)之間的關(guān)系。
圖1.
我所在團(tuán)隊(duì)的這個(gè)發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新，當(dāng)然有相當(dāng)一部分是在國(guó)外做出來(lái)的，但也有很多工作是在中國(guó)做出來(lái)的。我想介紹一下在國(guó)內(nèi)科學(xué)創(chuàng)新方面的工作和經(jīng)驗(yàn)。
產(chǎn)業(yè)的“?！迸c科學(xué)的“機(jī)”
我們知道今天的信息社會(huì)之所以能夠蓬勃發(fā)展，和一個(gè)經(jīng)驗(yàn)定律分不開(kāi)，這就是摩爾定律———計(jì)算能力每過(guò)18個(gè)月就加倍一次，這樣的發(fā)展規(guī)律是一個(gè)指數(shù)發(fā)展的規(guī)律。在過(guò)去五六十年的時(shí)間里，整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展尤其是計(jì)算能力的發(fā)展，基本上是一個(gè)技術(shù)演化的問(wèn)題。而在這之前，則是一個(gè)科學(xué)問(wèn)題：量子的發(fā)現(xiàn)使我們理解了電子的波動(dòng)性，一旦有了波動(dòng)性之后就有了能隙的概念，有了能隙的概念就有電子和空穴能夠?qū)щ姷母拍睿缓缶陀辛巳龢O管的概念。所以在一開(kāi)始，是上世紀(jì)二三十年代量子引進(jìn)電子波動(dòng)性的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，帶來(lái)了今天的產(chǎn)業(yè)革命。不過(guò)這之后，過(guò)去五六十年里整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展基本是按摩爾定律這個(gè) “機(jī)械的”規(guī)律來(lái)進(jìn)行的。
但是業(yè)界普遍認(rèn)為，現(xiàn)在已經(jīng)看到了按傳統(tǒng)技術(shù)方法根本解決不了的問(wèn)題。最大的問(wèn)題就是過(guò)去這些年只有技術(shù)的革新，而不是科學(xué)發(fā)現(xiàn)在推動(dòng)這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。我們只是把三極管越做越小，但沒(méi)有改變它根本的工作原理。每個(gè)三極管在運(yùn)算的過(guò)程中都需要發(fā)熱，如果三極管的數(shù)字每過(guò)18個(gè)月加倍一次，計(jì)算機(jī)芯片的功耗也是每過(guò)18個(gè)月加倍一次，現(xiàn)在已經(jīng)很難繼續(xù)按摩爾定律的規(guī)律來(lái)發(fā)展。圖2顯示的是當(dāng)芯片隨著技術(shù)發(fā)展越變?cè)叫r(shí)，它在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的熱冷卻根本沒(méi)有辦法解決。
圖2.功耗是摩爾定律的最大障礙?，F(xiàn)代芯片處理器消耗100瓦的功率，其中20%浪費(fèi)在晶體管柵極的泄露中。
這樣的困境對(duì)技術(shù)發(fā)展來(lái)說(shuō)是個(gè)瓶頸，對(duì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)來(lái)說(shuō)卻是一個(gè)創(chuàng)新的機(jī)會(huì)。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和能源產(chǎn)業(yè)都正面臨著歷史上前所未有的危機(jī)，基礎(chǔ)科學(xué)則以此為契機(jī)，探索新的材料和新的原理。
我們古老文化中 “危機(jī)”這個(gè)詞能夠體現(xiàn)出，危險(xiǎn)同時(shí)也是機(jī)遇。摩爾定律的瓶頸，對(duì)我們科學(xué)工作者來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常好的機(jī)會(huì)，對(duì)科學(xué)的整體展現(xiàn)和我們中國(guó)的發(fā)展來(lái)說(shuō)同樣是一個(gè)機(jī)會(huì)。因?yàn)橹袊?guó)的信息產(chǎn)業(yè)在基礎(chǔ)技術(shù)方面還落后不少，比如最核心的芯片技術(shù)都掌握在國(guó)外大公司手中。我們?cè)诂F(xiàn)有的技術(shù)環(huán)境下要想實(shí)現(xiàn)超越是非常困難的，真正的超越還是需要找到新的技術(shù)。我們現(xiàn)在面臨的是業(yè)界的危機(jī)，卻是科學(xué)創(chuàng)新的機(jī)會(huì)，也是中國(guó)能夠真正走到世界前列的機(jī)會(huì)。對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)引領(lǐng)創(chuàng)新并超越其他國(guó)家的千載難逢的戰(zhàn)略機(jī)遇。
量子世界的“高速公路”
新的材料來(lái)自新的原理。以水為例，自然界水分子的構(gòu)成有三個(gè)不同的態(tài)，同樣一個(gè)水分子，可以變成液態(tài)、氣體或固態(tài)。同樣的，過(guò)去認(rèn)為電子可以形成半導(dǎo)體、絕緣體或超導(dǎo)態(tài)這些不同的態(tài)。而我們這次發(fā)現(xiàn)電子會(huì)以一種新的拓?fù)鋺B(tài)和非常奇異的功能來(lái)解決技術(shù)上的危機(jī)，帶來(lái)科學(xué)上的革命。
為什么今天的芯片在工作的時(shí)候有那么大的功耗？主要是因?yàn)檫^(guò)去五六十年間，電子在芯片中運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)類(lèi)似一輛高速的跑車(chē)在擁擠的集市里開(kāi)，行駛的時(shí)候既有電子之間的相互碰撞，也有電子和雜質(zhì)之間的碰撞。（圖3小圖）如果我們看懂這張圖片的話(huà)，創(chuàng)新的靈感就很容易來(lái)到———既然這輛汽車(chē)可以在集市里運(yùn)行，它肯定會(huì)有一個(gè)像高速公路那樣新的工作原理。（圖3）這個(gè)原理是什么呢？就是各行其道，互不干擾，把“車(chē)”分成不同的車(chē)道。相反的運(yùn)動(dòng)是分割開(kāi)來(lái)的，一旦分割開(kāi)來(lái)就會(huì)減少碰撞的概率，運(yùn)行過(guò)程也會(huì)非常的順。這就是我們經(jīng)過(guò)思考得出的新理念。
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圖3.
量子霍爾效應(yīng)
在人類(lèi)的世界里，修好高速公路后會(huì)定一個(gè)法規(guī)，很自然地劃分出兩個(gè)不同的車(chē)道。但是在微觀(guān)世界里、電子世界中怎么尋找自然的規(guī)律，使得電子能夠有各行其道、互不干擾的運(yùn)行方式呢？這就要說(shuō)到量子霍爾效應(yīng)。量子霍爾效應(yīng)是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域一個(gè)重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，關(guān)于它的研究曾經(jīng)兩次獲得諾貝爾獎(jiǎng)。它的科學(xué)道理非常高深，我們姑且用非常簡(jiǎn)單的公式來(lái)表示———2=1+1。比如我們?cè)谝痪S空間，有兩種走法，可以往前走，也可以往回走，往前走的電子，一旦碰到障礙就會(huì)彈回來(lái)。量子霍爾效應(yīng)就是把向前走或向后走這兩種不同的運(yùn)動(dòng)方式在空間上分開(kāi)，就是剛才講的高速公路的原理，使得向前走的電子在系統(tǒng)的上面，往回走的電子在系統(tǒng)的下面。
這個(gè)現(xiàn)象在20世紀(jì) 80年代被發(fā)現(xiàn)，稱(chēng)之為量子霍爾效應(yīng)。比如電子在系統(tǒng)上面走的時(shí)候，碰到雜質(zhì)會(huì)簡(jiǎn)單繞一個(gè)彎繼續(xù)向前走，就像我們高速公路的原理一樣，碰撞一下很難跳到車(chē)道的另外一邊。這個(gè)量子態(tài)之所以形成，是因?yàn)橛袕?qiáng)大的外加磁場(chǎng)。為什么電子會(huì)知道在上面是往前走，在下面是往回走，這是因?yàn)橛袕?qiáng)磁場(chǎng)的影響，使得電子形成這樣的運(yùn)動(dòng)方式。量子霍爾效應(yīng)是非常偉大的發(fā)現(xiàn)，但是它其實(shí)沒(méi)有特別重大的實(shí)用價(jià)值———因?yàn)樗膶?shí)現(xiàn)一定要用到非常強(qiáng)的磁場(chǎng)，而我們的電腦不能用這種方式。
?。ㄎ赐甏m(xù)。本文根據(jù)張首晟教授2012年9月8日在第十四屆中國(guó)科協(xié)年會(huì)開(kāi)幕式上所作的大會(huì)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(lái)源：新清華2012-12-21 第1905期
