創(chuàng)新在中國(guó)（二）
張首晟
奇妙的理論預(yù)言
我們團(tuán)隊(duì)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)利用了一個(gè)簡(jiǎn)單的推理———把2=1+1推廣成 4=2+2（圖1）。電子還有自旋這個(gè)運(yùn)動(dòng)方式，是微觀(guān)世界里非常奇妙的現(xiàn)象，我們?cè)诟咧谢瘜W(xué)中就知道電子可以有自旋。
所以在一維空間里，電子有四種不同的運(yùn)動(dòng)方式，可以自旋向上，可以自旋向下，也可以向前或向后。我們的工作把這四種運(yùn)動(dòng)方式在空間中拆分為2+2。在某種程度上，自旋向上的電子是順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，自旋向下的電子是逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)。我們利用這個(gè)原理，在2006年進(jìn)行了理論上的研究。
過(guò)去任何新材料的發(fā)現(xiàn)，包括量子霍爾效應(yīng)、超導(dǎo)體和半導(dǎo)體，往往是科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里通過(guò)非常辛苦的工作，然后偶然發(fā)現(xiàn)的。而這次對(duì)量子自旋霍爾效應(yīng)的研究完全來(lái)自于理論的指導(dǎo)，2006年我們?cè)诳茖W(xué)上做了這么一個(gè)奇妙的預(yù)言，預(yù)言某些材料會(huì)達(dá)到這樣奇妙的境界。
.jpg)
圖1.量子霍爾效應(yīng)與量子自旋霍爾效應(yīng)。
簡(jiǎn)單解釋一下，這里我們看到電子既可以向前走，又可以往回走，為什么不能反射呢？主要是因?yàn)榱孔邮澜缋镉幸恍┓浅Ｆ婷畹默F(xiàn)象。在宏觀(guān)世界里，任何一個(gè)宏觀(guān)的物體轉(zhuǎn)360度就一定會(huì)回到原點(diǎn)。而電子是有自旋的，轉(zhuǎn)360度卻不會(huì)回到原點(diǎn)，這是我們學(xué)非?；A(chǔ)的量子力學(xué)時(shí)就會(huì)了解的奇妙現(xiàn)象。我們利用電子這個(gè)奇妙的現(xiàn)象，或者在某種程度上說(shuō)是拓?fù)涞脑?，使不同“?chē)道”能夠分開(kāi)。
科學(xué)的發(fā)現(xiàn)對(duì)技術(shù)革命會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響？20世紀(jì)20年代量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)使人們懂得電子一旦有波動(dòng)性之后就有了能隙的概念，從而大大深化了對(duì)半導(dǎo)體的理解，推動(dòng)半導(dǎo)體技術(shù)的蓬勃發(fā)展，這是量子力學(xué)基本的發(fā)現(xiàn)帶來(lái)的技術(shù)革命。20世紀(jì)初另外一個(gè)偉大的革命就是愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，大家知道這是非常奇妙的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。相對(duì)論產(chǎn)生了一些非常奇妙的預(yù)言，只能在高能世界中被觀(guān)察到，對(duì)我們的日常生活影響不大。相對(duì)論預(yù)言了電子公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的耦合，這在拓?fù)浣^緣體中有重要的作用。近年來(lái)拓?fù)浣^緣體的發(fā)現(xiàn)表明，愛(ài)因斯坦的相對(duì)論有可能在產(chǎn)業(yè)革命中真正起到非常重要的作用。
為什么會(huì)有這樣的原理呢？我們看電子的世界，可以拿宏觀(guān)世界來(lái)作比方，比如在宏觀(guān)世界里看到地球繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)，同時(shí)又有自轉(zhuǎn)，地球自轉(zhuǎn)一次是一天，繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一次就是一年。同樣的，在微觀(guān)世界里電子也有公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)。但是愛(ài)因斯坦的相對(duì)論做出了非常奇妙的預(yù)言———電子自旋和公轉(zhuǎn)有非常本真性的耦合。我們利用相對(duì)論的效應(yīng)來(lái)預(yù)言，有很多材料能夠達(dá)到這種自旋軌道的耦合，并且用這個(gè)原理使得它的軌道自動(dòng)分開(kāi)。（圖2）非常幸運(yùn)的是，我們的這一預(yù)言在 2007年被德國(guó)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)小組證明，并被《科學(xué)》雜志評(píng)為2007年“全球十大重要科學(xué)突破”之一，成為科學(xué)史上理論預(yù)言的成功故事。
圖2.凝聚態(tài)物理中的量子力學(xué)與俠義相對(duì)論。
中國(guó)的貢獻(xiàn)
回想1978年，那時(shí)剛剛恢復(fù)高考、實(shí)行改革開(kāi)放，我還沒(méi)有讀高中，就試著參加了高考，考上了大學(xué)。那之后，我們國(guó)家又開(kāi)始派遣留學(xué)生出國(guó)，我被選拔到德國(guó)柏林大學(xué)深造。后來(lái)我在斯坦福大學(xué)任教時(shí)，總是惦記著祖國(guó)的發(fā)展。
那時(shí)，我們的成果雖然被評(píng)為“全球十大重要科學(xué)突破”之一，但在整個(gè)科學(xué)界的影響還是相當(dāng)小的，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中的材料比較稀有，還沒(méi)有在整體上推動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。2009年我開(kāi)始與國(guó)內(nèi)同行進(jìn)行非常廣泛的合作。這個(gè)預(yù)言在 2006年初見(jiàn)端倪，而在與國(guó)內(nèi)同行開(kāi)展廣泛合作以后，中國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域里發(fā)揮了關(guān)鍵性的作用。
其中，我們和中科院物理所進(jìn)行了廣泛合作，因?yàn)樗麄儗?duì)材料科學(xué)非常了解，我們也知道這些奇妙的拓?fù)浣^緣體材料在元素周期表右下角可以找到。我們和物理所合作，發(fā)現(xiàn)了一系列三維的拓?fù)浣^緣體新材料。這種材料在室溫下可以很好地工作，和半導(dǎo)體不一樣，這種材料中有一個(gè)表面態(tài)，這會(huì)起到非常奇妙的作用。
圖3.神奇的拓?fù)浣^緣體。
圖4.分子束外延-掃描隧道顯微鏡-分子辨光電子譜。
簡(jiǎn)單來(lái)講，拓?fù)浣^緣體的內(nèi)部是絕緣的，表面是導(dǎo)電的。我們中國(guó)很多陶瓷就是這樣，陶瓷本身是一個(gè)絕緣體，但是陶瓷表面可以鍍金，就是體內(nèi)不導(dǎo)電，表面導(dǎo)電。但是這種辦法是不穩(wěn)定的，跟大氣反應(yīng)后本來(lái)表面可以導(dǎo)電，但是過(guò)一段時(shí)間就會(huì)消失。因此陶瓷僅是一個(gè)常規(guī)絕緣體。但是拓?fù)浣^緣體是非常奇妙的現(xiàn)象，它的導(dǎo)電層是自己產(chǎn)生的，不需要外界任何的條件。如果跟外面大氣反應(yīng)之后，上面一層消失，下面會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生新的導(dǎo)電層，某種程度上可以說(shuō)是永不消失的鍍金。（圖3）我與清華大學(xué)薛其坤院士帶領(lǐng)的研究組合作，在裝置上已經(jīng)達(dá)到國(guó)際一流的水平（圖4）。但是我們知道，要想取得科學(xué)發(fā)現(xiàn)，光有第一流的儀器是不夠的，還需要有第一流的想法，才能真正走到科學(xué)的最前沿。在清華，我們成功地結(jié)合了理論和實(shí)驗(yàn)研究，真正取得了舉世矚目的成績(jī)。
（未完待續(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2012-12-28 第1906期
