纪念张首晟：下一个硅谷，将诞生在摩尔定律危机之上｜奖学金报名启动

高小山说

张首晟，高山书院创始校董，美籍华裔物理学家，他是“量子自旋霍尔效应”和“天使粒子”的发现者，也是著名物理学家、诺贝尔物理学奖得主杨振宁的学生。

杨振宁曾预测，张首晟获得诺贝尔奖只是时间问题。然而在2018年12月1日，张首晟教授不幸逝世。在与凡尘的抗争中，最终身归星尘，他所从事的科学研究也戛然而止。

为继承和发扬教授在科学事业上的探索精神，把“科学复兴”的理念传播到更广阔的天地，经与教授家属商议后，高山书院决定从2019年开始，设立“张首晟奖学金”，以此怀念张首晟教授，致敬科学。

在高山师生的共同努力下，不少同学也自发参与到了奖学金捐赠的行列，目前高山书院已经聚集了7位优秀的张首晟奖学金的获得者。

2022年“张首晟奖学金”也于今日正式启动（扫描下方海报二维码或点击阅读原文报名）。

回顾高山保存的课程资料，在2016年高山书院硅谷站的课程中，张教授对自己的科研工作进行了部分介绍，在今天这个特殊的日子里，让我们一同翻开这份珍贵的资料，沐浴在张首晟教授的科学之光下。

或许随着技术的发展进步，某些知识会“过时”，但科学家思考问题的角度和逻辑，以及科学家本身的魅力，是永恒不变的，也永远熠熠生辉、闪闪发光的。

摩尔定律危机

今天我们整个人类文明处在一个非常神奇的时代——信息时代。信息时代有一个根本的规律，叫摩尔定律，摩尔定律说的其实是信息处理的能力，即集成电路上可以容纳的晶体管数目大约每过18个月便会增加一倍。这是一种爆发性的指数增长率。

如果打开一台计算机，我们会发现里面的中央处理器CPU的芯片面积，在过去五六十年基本没有什么变化，一直都像邮票那么大，但其中包含的三极管的数量则是飞速增长的。

三极管是信息处理的基本单位，从图上可以看到，芯片从最初只有几千个三极管，到后来慢慢增长到1万、10万、100万......到2016年已经是100亿的量级了。

指数增长的规律，在过去整个人类文明的发展史当中是非常罕见的。我们经历了农业革命、工业革命，经验告诉我们，增长一般都只是线性的。但在过去五六十年，我们发现了这个特殊的指数级增长规律，并且也对这个规律有着深深的信念，认为这种增长是天经地义的。

但事实果真如此吗？摩尔定律会永无止境地走下去吗？

60年代以前，物理学家们发明了量子力学，这是摩尔定律的根本科学原理。过去五六十年，从根本原理来讲，摩尔定律没有任何改变，所有的进步都是靠工程技术来推进的。所以如果按照这个路径往下走，绝大部分的人都相信，摩尔定律已经走到尽头了。

很多计算机和半导体领域的老大，不管是英特尔、IBM、德州仪器或者华为，基本上都是这么相信的。于是大家就陷入了一个迷茫的状态，不知道下一步该怎么走。摩尔定律走到尽头，这对整个人类社会和人类文明来说都是非常重大的问题。

那么，为什么摩尔定律有可能会走到尽头呢？

这个体验其实大家都已经有过，比如我们把笔记本电脑放在大腿上使用一段时间后会感觉到热，手机长时间打电话或者看视频也会发烫。这是因为在芯片的最底层，电子的运动方式是完全杂乱无章的。

如果把电子比作是优秀的跑车，加上电压之后，芯片上的电子就像是在人满为患的集市里运动，彼此之间互相碰撞，同时也与周围环境进行各种碰撞，这样一来，绝大部分的电能都在碰撞中耗散了，也就出现了我们所体验到的发热发烫现象。

由于科学原理没有改变，过去五六十年，每个单位的三极管所耗散的热量基本是不变的，但在芯片上的总三极管数量每18个月就会翻倍，这样一来，当三极管集成密度越高，芯片运转越快的时候，散发的热量也会成倍增加，到一定程度，整个芯片就烧掉了。

所以，今天我们的信息社会其实就是碰到了这样一个大的阻碍，芯片内的电子就像是遇到了交通阻塞，卡在一起无法动弹。

因此，我们就需要用科学的办法和科学的思维来解决这个问题。类比就是一种很好的科学思维。我们都知道高速公路的原理就是各行其道、互不干扰，如果能同样制造一个“高速公路”，让电子这个精致跑车在高速公路上畅行无阻，那就能解决问题了。这也是我们这个时代科学家的追求和梦想。

也许这将会是摩尔定律危机下的一个全新的机会。

复制硅谷的可能性

今天很多人尤其是企业家，都喜欢到硅谷来学习，自然而然大家心里就有这样一个疑问，那就是硅谷能不能被成功复制？下一个硅谷会出现在哪里？

对比来看，如果问今天的中国缺什么，很显然肯定是不缺钱的，大家现在手里有很多钱，一旦看到好的机会，都愿意投下去。关键是硅谷的发展并不是钱的问题，而是一个历史性机会问题，就是当时硅技术的发展。这种历史性机会，在人类历史上，可能要100年左右才会出现一次。

如果摩尔定律一直发展得好好的，那我们今天很难再有一个取代硅谷的机会。但既然今天摩尔定律碰到了危机，必然也会造成一个新的机会。

中国古老的语言里藏着极大的智慧，所谓“危机”，其实是“危”也是“机”。

摩尔定律危机的出现让企业家们头疼和彷徨，但对于我们科学家而言，这是一件让人非常兴奋的事情。现在这个情况与五六十年前量子力学发明出来的时候极其相似。

这五六十年间，电子在芯片层面上的工作原理没有任何变化，只是在工艺上把这个东西越做越好，于是就变成了工程师的天下，没有科学家们什么事儿。但现在，很可能机会又要来了！

那么，怎样才能使电子在芯片里畅通无阻呢？就像高速公路那样。

我们知道，在导线中电子的运动方向至少有正反两个，并且只要遇到一点点杂质，都可能导致电子的运动方向发生变化，产生电阻，哪怕是再细的纳米导线也不行。那究竟该怎么办呢？怎样的思考模式才能够帮助我们解决这个问题呢？

国内最近有一个非常流行的词语，叫“降维打击”，这是一个非常好的思维模式。如果不只是考虑一个一维的导体，而是考虑二维空间的话，我们就会有一个神奇的办法——让上面的电子往前走，下面的电子往后走，而中间是完全绝缘的。这种运动模式就和高速公路是完全一致的。

但新的问题是，什么情况下电子才会按照这种规律来运转呢？

所以这里面我们需要的是一个非常强的外加磁场。电子在强磁场上的运动模式是非常奇怪的，它只是绕着磁场打转。就像欧洲的大型强子对撞机，就是让质子在一个27公里的环形轨道中加速的。

在外加的磁场下，导线中间位置的电子的运动是独自打转，但在导线的边缘区域，有一个神奇的现象，就是原本要打转的电子打了半转后碰到边缘，会停止原来的打转，转而重新开始打一个新的半转。

整体来看，电子是顺着导线移动的，所以导线的边缘是可以导电的，并且上下电流是相反的方向，但里面却是绝缘的。即便是电子在边缘处遇到杂质，它只会简单地绕过去而不是改变运动方向。

这就是量子霍尔效应。现在回过来想想，原理很简单，高中物理就能理解，但在当时也是在偶然的情况下被发现的，这个现象在历史上曾获得2次诺贝尔奖的青睐。

这是一个神奇的效应，但是它却没有任何实用的价值。所以我们可以看到，诺奖并不是一定要颁给有用的知识，有时候只是一个基本现象的发现就行。

这个外加磁场的强度大概有多大呢？就是大家平时去做体检做核磁共振的时候，会进入到一个很大的机器里面，那个机器就是产生强磁场的。基本上就需要那样的一个强磁场环境。所以如果应用到我们现在的电脑、手机上，这显然是不可实现的。

科学的发现就是这样，一步一步往前走，后人的研究和发现都是基于前人的发现和发明上。对于这个问题而言，这个后人里就有我。要解决实际使用问题，可能还需要一代一代人的不懈努力。

我的工作

我开始思考这个问题的时候，我就非常好奇，我想的是，能不能不需要任何外加磁场的情况下，就能有这种电子的神奇运动模式？这样一来，在科学上能既有伟大的发现，也能够用实用来造福人类。

我的想法是通过再一次的类比。

电子绕着原子核的运动，基本上与地球绕着太阳的运动很相似。

我们知道地球会自转，同时也会绕着太阳公转，这样我们就有了一天24小时和一年365天。电子就像地球一样，既有自转也有公转，电子的自转就好像是电子内置的指南针，它会告诉电子需要顺时针转动还是逆时针转动，而不需要外加的磁场。

地球的自转和公转之间没有特殊的耦合。但爱好天文的同学们就知道，月亮的情况则不一样。

为什么我们只能看到月球的一面，因为月亮自转周期是一个月，公转周期也是一个月，所以我们始终只能看到月球的一面。所以对月球来讲，它的自转和公转有一种明确的耦合关系。

爱因斯坦的相对论预言了电子的自转和它的公转必然有一种耦合，这是爱因斯坦相对论的一个非常奇妙的预言。这个预言在别的场合下也都已经被验证过。

基于此，我的想法就变得非常简单，在没有外加磁场的情况下，可以想办法利用起电子的自旋特点。

如果我们再回到导线的话题，其实电子在最细的导线里面并不只是有两种运动模式，它其实应该有4种，因为电子的自旋可以向上或者向下，它的公转的运动可以往前或者往后，所以一共来讲有4种不同的运转的模式。

但是这4种情况可以拆成2+2，图中我们可以看到，黑色箭头向上的是电子绕着芯片顺时针运动，黑色箭头向下的是电子绕着芯片逆时针运动。所以等于是电子的自旋相当于起到了外加磁场的作用。这种来自于电子自旋和轨道耦合的神奇效应，我们叫它“量子自旋霍尔效应”。

量子自旋霍尔效应是对量子霍尔效应的一种新的发现和推广，这种理论发现被公布后，很多人都说想来看看我的实验室，但可能要让大家失望了，我根本没有实验室。

但我也为此觉得非常骄傲，我的实验室就是一张纸和一支笔，伟大的科学家像爱因斯坦和牛顿，他们的实验室也是只有一张纸和一支笔。所以有时候科学发现并不一定要一个很大的实验室，仅仅通过一张纸和一只笔也能产生美妙的思想。

在这个理论被公布后，我又进行了进一步的预测，也就是在什么材料中会发现电子的这种神奇的运行模式。这种材料非常先进，当时整个世界只有德国的一个实验室在研究它，叫碲化汞（HgTe）。然后在短短的一年时间内，也就是2007年，通过与我的合作，他们在这种材料上验证了我的理论预言。

这在当时非常轰动，大家认为这是当年整个科学上十大发现之一。某种程度上我比爱因斯坦要幸运，爱因斯坦1915年发明了广义相对论，预言了引力波的存在，但是过了整整101年才被验证。我的预言在短短一年之内就被验证了，从而开创了一个新的研究时代。

这种材料就叫拓扑绝缘体，在这种材料中，电子的自旋霍尔效应只能在低温下才能够发生，所以我的工作还没有停止，还需要进一步地做类比。

大家都知道石墨烯，它的发现还获得了诺贝尔奖。石墨烯的结构有点类似于六角形的单层蜂窝的状态，我的工作就是在石墨烯结构的基础上做了一次新的推广，将这种蜂窝结构中的碳原子更换成锡原子，我给这种材料命名为“锡烯”。

所以我的预言就是，在这种材料中，既不需要低温也不需要外加磁场，就可以发生量子自旋霍尔效应。

如果真的能够实现，摩尔定律就能够继续向前推进了。

几乎每一个人类大的历史的时代，都是以一种材料来命名的。譬如旧石器时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代、硅器时代等等，所以我相信，这个拓扑绝缘材料的发现，对整个人类来说是至关重要的。

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