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诺奖热门科学家:“电子高速公路”时代将来临

2019/10/10 1:09:47

诺奖热门科学家:“电子高速公路”时代将来临

上海市科协第十四届学术年会暨第十一届上海工程师论坛今天开幕,斯坦福大学终身教授、美国科学院院士、中科院外籍院士张首晟,市科协主席、中科院院士陈凯先做了特邀报告。张首晟对量子自旋霍尔效应、拓扑绝缘体进行了开创性研究,被认为是最有希望获得诺贝尔物理奖的华人科学家之一。他在报告中预言,拥有“电子高速公路”的拓扑绝缘体将进入应用阶段,为人类带来新的半导体材料、能源材料,解决摩尔定律即将失效的难题。

 

摩尔定律指在价格不变情况下,集成电路上可容纳的元器件数目和性能,每隔18—24个月会提高1倍。几十年来,全球芯片研发一直遵循摩尔定律,但如今,这一定律即将走到尽头。这是什么原因?张首晟告诉听众:“电子在芯片里的运动,就像一辆辆跑车在集市里行驶,不断地碰撞,产生热量。你们把笔记本电脑放在腿上,时间一长就感觉很烫。正是电子间碰撞产生的热量,导致摩尔定律将失效。”

张首晟做特邀报告。俞陶然 摄

 

怎样才能让“电子跑车”不相互碰撞?张首晟提出了“电子高速公路”方案,让电子在一条条“单向车道”上运行,不就相安无事了吗?“你们看,基础研究的很多想法看似简单,但往往能从根本上解决问题。”循着这一思路,他带领团队深入研究量子霍尔效应、相对论,于2006年提出了“量子自旋霍尔效应”构想:电子自旋(好似自转)轨道与其“公转”轨道有神奇“接口”,利用这种特性,科技人员能够让芯片里的电子在不同轨道上自旋,就像在不同车道上运行一样。2007年,这一理论预言被德国维尔茨堡大学实验小组证实。同年,量子自旋霍尔效应被《科学》杂志评为2007年“全球十大重要科学突破”之一。

 

在这一理论基础上,张首晟带领团队预言了一系列名为“拓扑绝缘体”的新材料。“锡烯”是其中之一,堪称“石墨烯的堂弟”,只有一个原子层,且有蜂窝状结构,具有很好的应用前景。去年,他与上海交通大学钱冬、贾金锋合作,首次制备出烯锡,论文发表于《自然·材料学》。

张首晟荣获尤里基础物理学奖。张首晟供图

 

张首晟表示,新材料对人类文明的进程有重大意义,石器时代、青铜器时代……人类的很多时代以材料命名。“我希望我们将迎来拓扑绝缘体时代,研制出半导体新材料、能源新材料,将它们投入实际应用。我们还有望利用拓扑绝缘体制造出量子计算机。”

 

谈到成功经验,他认为,“跨界”是实现原始创新的一大法宝。“我从小喜欢数学,后来对拓扑学产生兴趣,在研究新材料时,就引入了这一数学概念。”他还指出,科学教育的第一要义是培养孩子的好奇心,唯有受好奇心驱动,一个人的学习效果才能达到最佳。张首晟儿子获得奥林匹克物理竞赛金牌,正是得益于这种家庭教育。

 

市政协副主席、市科协副主席高小玫主持开幕式。

 

题图来源:360doc个人图书馆  图片编辑:苏唯