物理学家张首晟在上海市科协年会上发表演讲——

希望下一个是拓扑绝缘材料时代

来源：文汇报 2016-9-20 沈湫莎

　　“我们生活在信息社会高速发展的时代，我们的信息处理能力以摩尔定律的速度增长———每过18个月信息处理能力翻一倍，不过，这条路已经走到了尽头。”在昨天举行的上海市科协年会上，斯坦福大学终身教授、williamhill官网教授、中国科学院外籍院士张首晟做了主题为　《电子高速公路》　的演讲。让杂乱无章的电子有序运动，缓解电能的损耗，这是挽救摩尔定律的“大招”吗？

电子高速公路“挽救”摩尔定律

　　信息社会是建筑在光子和电子这两个基本粒子上的，光子是用来通讯的，电子是用来做信息处理的。光子相互之间没有很强的相互作用，在传播过程中不容易受干扰，所以用光线光纤作为通讯工具，但电子间有很强的相互作用，当芯片中的电子数量以摩尔定律的速度聚集起来后，它们运动时会产生大量热量。

　　“如果每个三极管基本工作原理不改变，密度每过18个月翻倍，它产生的热量也翻倍。现在把笔记本电脑放在你的大腿上面，你会觉得非常烫，如果继续发展下去，那么笔记本将被烧掉。”张首晟说。

　　“现在的电子运动如同一辆跑车在集市上，集市的拥堵已经严重影响跑车的速度，那么为何不为跑车建一条“高速公路”呢？”张首晟说。1982年提出的量子霍尔效应就基于这个想法，在强磁场下，大部分电子在原地打转，但在芯片缘边的电子只能打半个转，这就表现为芯片表面的电子往前走，边缘的往后走，芯片内部处于绝缘状态。

　　然而，量子霍尔效应没有应用价值，因为它不仅需要加入强磁场，还需要在极低的温度下运行。张首晟在此基础上，利用电子自转方向与电流方向之间的规律让电子可以有序运动，如同为跑车配备了“导航仪”，量子自旋霍尔效应横空出世。

　　这一理论的问世，为濒临绝境的摩尔定律带来了希望。使用这一原理的计算机，电流流动时候几乎没有电阻，电子计算时也没有能量损耗。

未来最伟大发现将是“跨”出来的

　　找到了建造“高速公路”的原理，张首晟还需要找到建造“高速公路”的材料，否则这个发现仍然无法变成产品，进入人们生活。

　　3年前，张首晟预言了一种能够用于建造电子高速公路的新材料———单层锡原子材料。他将之命名为Stanene，取自锡的拉丁名　（stannum）　和石墨烯（Graphene）　的结合。幸运的是，仅一年后，就有人验证了他的预言，目前，Stanene的搜索量爆炸式增长，上海在这方面的研究上，已经走在世界前列。

　　张首晟是少有的能把所有道理都用打比方的方式讲出来的科学家。比如他既可以把电子运动比作高速公路，又可以对比成星球的转动；绝缘体能比作空的或满的水盆，半导体就是半满的水盆；量子霍尔效应中电子的一来一回比作“2=1+1”……这种思维方式，让他在面对复杂事物时，能迅速简化为本质。

　　在张首晟看来，现在想要做出伟大的发现，得跨界。他提出的拓扑绝缘体材料中的拓扑，就取自数学。拓扑只考虑物体间的位置关系而不考虑它们的形状和大小，如同只要知道一个多面体有几个点，就能知道它有几个面。面对电子高速公路的概念，尽管进入的电子运动错综复杂，但只要抓住有几条“车道”就行。

　　“用拓扑学的角度来看，甜甜圈和水杯是同一种东西，因为中间都有一个圈。”张首晟开玩笑说，“这个本质叫做拓扑不变量。”

　　身在科学前沿的张首晟非常关心产业化，他认为只要真正解决科学问题，才能带来引起世界变革的商机，美国硅谷就是借助硅材料发展起来的。下一个“爆点”在哪里？　他对自己的拓扑绝缘材料信心满满。“你看人类的时代都是由材料命名的，青铜时代、铁器时代、钢铁时代、石墨时代，我希望下一个时代是拓扑绝缘材料时代。”张首晟说。

编辑：苑苑