张首晟在复旦科技创新论坛上的演讲:电子高速公路-深度-知识分子

张首晟在复旦科技创新论坛上的演讲:电子高速公路

5天前
导读
本文来自张首晟教授于2016年12月份在“复旦科技创新论坛”上的演讲,经授权转发。

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这篇文章为张首晟教授于2016年在复旦科技创新论坛上的演讲,经授权转发,图片来自复旦大学


演讲 | 张首晟(斯坦福大学物理系、电子工程系和应用物理系终身教授)

 

   

 

我是复旦大学改革开放之后第一届学生,1978年,我入学来到复旦,当年我才15岁,没有读过高中,所以今天看到年轻的同学们,感到非常地亲切。我今天给大家做一个我的学术报告: 电子高速公路。

 

摩尔定律是否遭遇瓶颈

 

我们生活在一个非常神奇的时代,这是一个信息推动一切的时代。在这个信息的社会里,我们处理信息的能力也在迅猛增长,有一个定理在描写它,这就是摩尔定理(Moore's Law): 每过18个月信息处理的能力就会翻一倍。

 

怎么衡量处理信息的能力?我们打开任何计算机,看它们主要的CPU芯片,芯片的面积本身并没有太多的改变,随着年代的改变,基本都像一张邮票的大小,但里面的三极管每过18个月会翻一倍。这个技术从半导体技术、集成电路发明之后,在过去的50年左右里,基本上都是按照这个神奇的摩尔定律在运行。

 

它是人类社会里面一个非常神奇的定律。在人类社会里,别的增长基本都是线性的增长,信息工业分为传统工业和信息工业,最大的差别就是可用摩尔定律描写。人类碰到了很多难题,如果让我做一个首选的话,我想整个人类碰到的挑战和难题就是:摩尔定律能不能继续在今后的50年,像过去的50年一样,继续迅猛地往前推进。

 

基本物理对于摩尔定律有什么贡献?如果我们讲起任何的计算,信息时代有两个基本粒子对起到了非常关键的作用:一个是光子,一个电子。光子有一个特性,光子和光子之间的相互作用非常弱,我们利用这个特性,来做通讯,因为光纤里面,不同颜色的光,不同频率的光子,它们相互作用非常弱,所以它在长距离传播时,几乎没有任何的耗散,因而信息的运输、交通,基本上是用光这个基本粒子。

    

跟光子相反的是电子,电子和光子不一样,它相互作用非常强,用它来做信息传播,就不太方便。因为它在传很远的距离之后,就会通过相互碰撞、相互作用产生很多耗散,但用它做信息处理非常好,因为电子和电子之间有非常强的交互作用,使得我们可以调制、控制这个信息的处理,所以基本上,信息有两个:用电子来做计算,用光子来做传输。

 

电子相互作用非常强,能够用它来做量子调控,给我们带来很大的麻烦。当我们把手提电脑放在大腿上,会很烫。电子在操控过程当中,会产生非常大的热量。

 

电子高速公路的构想

 

在过去的50年前,物理学家对基本原理做了很大的贡献,但这之后,基本上是工程师所做的贡献。工程师一般不会做从0到1的创新,他们只是把三极管的大小越缩越小,所以如果每过18个月翻一倍,热量也是每18个月翻一倍。到了芯片的最底层:电子的运动模式、电子和电子之间有非常强的相互作用,这就像一辆法拉利跑车,但它在赶集的时候跑,它们之间会发生碰撞,就是电子和电子之间有相互作用,电子和周围的杂质有相互作用,这就导致本来给它的电能,很快在碰撞的过程中变成热能,热能如果不能耗散出去,芯片继续高度集成,就会被烧掉。

 

科学家的科学发明,灵感到底从何而来?做对比是非常好的科学思维的逻辑方式。如果我们这个比喻是对的话,那么我想周围每一个同学都说,这个解决方案是显而易见的,就是我们要为电子建一个高速公路,在高速公路上,车辆按照车道各行其道、互不干扰。右边的汽车往前走,只能看到它的尾灯,左边对着我们而来,我们只能看到它的前灯。这样它们几乎不会相互碰撞,所以用一句话来讲,我们最近的科学发现,就是真正地能够为电子在芯片最底层的高速公路运转的原理,使得每一个电子原本有很强的相互作用,给了它车道之后,它们相互作用的概率非常低。

    

为电子做高速公路,我们可以看到自然的定理,用车道来完成。这个对科学家是一次非常奇妙的机会,这是50年难得的一次机会。为什么硅谷是科学创新的榜样,为什么硅谷叫硅谷,左边的那一位先生叫William,他和他的同事一起发明了三极管,获得了诺贝尔奖,在二次大战之后,来到了阳光明媚的斯坦福大学,在我所在的物理系任教,他们看到硅这个技术,的确给很多信息带来很大的启动,所以他成立了一系列的公司。后来他们的一个子弟出来创办公司,一代传一代,最后做出了像因特尔这样伟大的公司。

    

今天我们如果来到硅谷,看到硅谷的地图,硅谷是一个谷,面积不会有太大的改变,但是硅谷里面的公司,几乎也像摩尔定律一样增长,每过18个月翻一倍,不只是硅,我们也抓住了互联网的机会,斯坦福两位校长都有自己的公司,当年做的是半导体方面的公司,我们新任的校长,做的是生物科技的公司,也体现在这个图上。

    

但是我们所有信息的产业,都是建筑在摩尔定律这个基石上面,一旦摩尔定律发生危机,整个人类社会的信息产业都会带来很大的危机。在我们中国古老的语言里面,已经体现了我们古老文明的智慧: 危机,是危,也是机,对科学家来讲,这个危机也给了我们一个很好的机会,能够走上一张白纸,画出最新最美的图案。今天在中国,我每到一个城市,大家都会问,我这个城市怎么能够成为硅谷,硅谷当然有它历史的机遇,不是光砸钱进去,就会变成一个硅谷来。当年硅谷就是有了这么一次历史的机遇,如果我们一直按照老办法往前走,弯道超车的几率就不大,但是一旦有了新的危,导致了新的机,我们的确可以弯道超车,这是重现硅谷传奇的一个机会。

 

怎么理解电子在最底层的规律,使得我们能够找到一个新的规律,使得电子像高速公路一样运行?总的来说,我把所有的科学分为两个不同的研究方向:有一种研究方案,就是把整个世界看到的万物,归纳为最小的单元,在一百年前,化学的思想就是化学元素周期表;另一种,继续往下走的话,我们知道原子也是可分的,虽然希腊人把原子起名为不可分的,其实原子也是可分的,我们可以找下面更基本的基本粒子,最近找到的希格斯粒子、引力波都是把非常复杂的世界,分解成一个最基本的单元,但分解成最基本的单元,并不代表我们马上就可以理解世界万物。

    

举一个最简单的例子,如果我们把水、水蒸气和冰,用这个办法来理解,我们可分解到最基本的单元,它们都是水分子,蒸汽里面的水分子和水里面的水分子以及冰里面的水分子,完全是一模一样。但为什么它们会形成三个不同的物质的态,所以这是我所研究问题。就像小孩子,在美国他们经常玩乐高,怎么把乐高拼成一个最新的图案。我现在问的问题是电子: 能不能形成不同的态,说不定在有一种态的情况,它杂乱无章的运动,另外一种态的情况,它非常有规律地像高速公路一样运动。我的研究发现物质的电子世界,同样的电子,跟通常的电子没有差别,但不同的电子可形成一个非常神奇的态,就是拓扑绝缘体的态,也是我今天跟大家分享的主要原理。

 

怎样给电子建立高速公路

 

我们能够给电子形成一个高速公路吗?我用一个非常简单的例子解释,如果我给你一个非常非常细的导线,最细的导线比如说纳米导线,它的直径基本上可忽略不计,在那么细的一根导线上,电子至少有两种运动模式:它可以往前走,也可以往回走,如果当中有一个杂质,本来往前走的电子,碰到一个杂质,被它打回来,开始往回走,这是在纳米导线上形成电阻的一个最根本的原理。

 

怎么来解决这个问题?中国经常会听到一句话:用高度的思维打低维。我们如果用这个概念来想,能不能发明一个神奇的公式: 2=1+1,如果把一维导线看成二维的边缘,这样我们就有一个非常神奇的分解办法。往前面走的电子,可以放在上面,倒走的电子可以放在下面,这样的话,它们的空间完全区隔起来了。在上面的电子如果往前走的时候碰到一个杂质,它只能够简单地绕杂质继续往前走,另外一个可能,如果它往回走,它一定要跳到芯片的对面,这个概率非常非常小,所以这个想法基本跟高速公路一样。

    

那么什么情况可以使上面的电子往回走,下面的电子往前走,为什么上面的电子只是往前走,不是往回走?在强磁场的情况下,电子在原地打转,它顺时针走还是逆时针走,完全是由外加磁场导致的。如果跑到边缘的话,这个情况就不一样,因为边缘要打一个全转不容易,当然打了一个转之后,碰到边缘了,不能打一个全转,在边缘的话,就会继续地反射,所以它一直打半圈,打半圈,打半圈,属于把半圈联起来,好像在边缘可以导电,当中原点打转不能导电,所以外加磁场,第一给了一个顺时针走还是逆时针走的方向,在中心不能打转,在边缘可以导电,这样构成了一个非常神奇的运转模式,这个叫做量子霍耳效应,这是物理学界非常伟大的发明,曾给过两次诺奖。有一次是给我办公室隔壁的一位同事,还有一次是给德国首次发现的科学家。

    

虽然给过两次诺奖,但他没有任何实用的价值,为什么?所需要的外加磁场,基本像我们看病时,到核磁共振仪器里面所需要的外加磁场。如果计算机像核磁共振机器那么大,我们显然根本不能用这个原理做手机,能不能去掉苛刻的外界条件,需要强的磁场?这就是我对这个领域产生的贡献。

 

我的灵感在哪里?好像每一个电子都自备了一个指南针,指南针会告诉你往前走,还是往回走。讲到一个科学发现最好的方法就是比喻。电子围绕原子核旋转,很像地球围绕太阳转,有自转也有公转,自转一圈24小时,它给了我们白天和黑夜,绕着太阳转,需要365天,给了我们四季和年。电子同样也是如此,有自转也可围绕原子核做公转。

    

到了原子世界里面,爱因斯坦的相对论,告诉我们电子自旋的运动方式和公转方式,这种联系就是耦合效应,这是相对论才可以预言出来的效应。电子的自旋好像一个指南针,告诉它顺时针绕原子核走,还是逆时针绕原子核走,所以我用这个原理,创造了一个全新的效应,刚才讲了纳米导线,有两种方式,要么往前走,要么往后走,此外电子还可自旋,自旋可以向上或向下,所以有四种运动方式。如果自旋向上,它告诉电子顺时针走,如果自旋向下,告诉电子逆时针走,所以导致了自旋的耦合效应,导致了我理论预言的霍耳效应,这样就把2=1+1,变成了4=2+2,如果自旋向上,我们就知道是顺时针,自旋向下就是逆时针,这样就给了电子真正的各行其道,互不干扰的原理,且又不需要外加的磁场,所以这个可能对整个信息产业带来一个巨大的革命。

    

那么多的材料,到底要找到一个什么样的材料才是真正神奇的材料?这个原理,原则上是可以存在,但是到底哪一个材料才能有这个神奇的拓扑绝缘体效应?有一天,我看着整个半导体的一张图,它又有间隔的常数,又有能量的大小,突然发现有一个材料非常奇特,它叫做碲化汞,它的能量是负的,我们知道爱因斯坦预言的耦合效应,在重的原子里面比较强,在轻的原子里面效应不明显。碲化汞有毒,我们第一次得到灵感,它是第一个拓扑绝缘体,这是整个人类认识材料里面很大的一个突破。过去所有的材料都是偶然发现,我们理论预言了材料。

 

什么叫导体,什么叫绝缘体,什么叫拓扑绝缘体,如果我们看一个水杯,就可以形容如果水杯是半满,稍微倾斜一下,水从右边流到左边,所谓的倾斜一下,就等于加一个电压,水流等于电流,导体里面,它处在一个半满的状态,加一个电压,把半满的水杯倾斜一下,水自然会从左边流到右边什么是绝缘体,绝缘体是全满的杯或全空的杯,全空没有任何空间可以流,全满也是同样的道理,稍微倾斜一下,没有东西可以流,因为流过去的地方已经有水分子在那里,所以不能导致电流,这就叫做绝缘体。

 

通常大家认为世界上所有的材料要么就是导体,要么就是绝缘体,因为这个杯要么是半满的,要么是全满的,要么是全空的,就这三种情况。但是我们发现的拓扑绝缘体,这个杯和上面的杯联系在一起,在上面和下面,要么全空,要么全满,在当中连接的部分,处在半满的状态,连接的部分只能在表面导电,这是非常神奇的材料,拓扑绝缘体内部就像一个半满的杯,全空的杯,但是表面是一个半满的杯,这也是一个非常奇特的运动的模式。2007年,碲化汞在德国做得最牛。然后我们2006年我们理论预言了之后,2007年,在实验上完全验证了我们这个理论上面的预言,所以2007年,《科学》杂志把它放在世界上所有的科学发现中,不只是物理学界的科学发现的前十名。那一年我正好带全家回来在中国过年,就在上海听到这一个喜讯。

    

虽然我们这个发现非常有意思,但它并不是一下就解决了所有问题。因为我们刚才只讲到量子霍耳效应,这个效应需要两个苛刻的条件,一个是外加的强磁场,已经解决了,不需要了,相对来说,还是需要比较低的温度,因为碲化汞这个材料,需要比较低的温度,所以我们在最近两三年以前,预言了一个全新的材料,复旦大学这方面研究了石墨烯这个材料,石墨烯是由碳原子构成的一个原子层的材料,从上面问下看,这个单原子层是一个蜂窝的状态,所以它完全是用碳原子构成的非常神奇的材料叫石墨烯,但石墨烯并没有我们预言的神奇性质,并没有能够像高速公路,电子在里面照样还是有电阻,不能达到各行其道,互不干扰的原理。

    

但如果看元素周期表,上面是有碳原子,如果往下走,就会走到锡,它是地球上非常常见的一个元素。如果用锡这个原子,同样可以构成一个单的原子层,这个单原子层,上面看下去也是一个蜂窝的状态,锡原子和碳原子有什么不同?锡在元素周期表的下面,碳元素在上面,所以它比较轻,不会有拓扑绝缘体的原理,一旦到了锡,非常重,自旋轨道耦合非常强,我们预言这个材料,可以形成一个二维的拓扑绝缘体,达到神奇的效应。由于我们的理论预言,一年之前,上海交通大学实现了这个发现。

    

我们在理论上预言了世界上第一个拓扑绝缘体,接下来这个领域增长非常迅猛地,几乎像摩尔定律一样,美国18个月,有好几个拓扑绝缘体被预言出来,我今天在做报告的时候,想到这么一个灵感,差不多每过18个月,预言的拓扑绝缘体的数目可能会翻一倍。我们预言了一些新的材料,比如说元素周期表里面,大家看到有B和D1这些材料。

 

科学家的惊喜到底何在?

 

回到一个有趣的话题,为什么这个材料叫做拓扑绝缘体,科学家的惊喜到底何在?他的回报到底何在,大家知道做科学家挣的钱并不是很多,科学家的惊喜是: 世界上第一个发现一个东西。另外有一个令人喜悦的地方,就是你如果第一个发现一个东西的话,你可以像自己的孩子一样,给它命名,所以我们把这个材料称为拓扑绝缘体。当时我们总觉得这是这个材料比较精准的、数学概念上的描述,也不知道大家会不会对这个事情感兴趣。但有一次我在家里工作的时候,突然有一个朋友给我打电话,说我发现的拓扑绝缘体,一下子被四千万的人关注了。这是为什么呢?在《生活大爆炸》里面,有一次谢耳朵跑到课堂里面,第一次问拓扑绝缘体这个神奇的发现,大家知不知道,他说我有一点怀疑,你们到底有没有懂拓扑绝缘体的概念。

    

拓扑是一个非常美妙的数学概念,自然科学追求的是真,我们发现一个自然的定律,最好体现大自然的一种规律,所以我们是去发现一种真正的自然规律。我们问数学家他的追求目标是什么?他不能谈什么是真,因为他完全可以想出一个世界,跟现实世界不一样,无所谓真假问题。他们的灵感通常来自于美,所以数学家是真正寻美求真。数学家是寻美,物理学家是求真,如果把数学和物理紧密结合在一起,就是理论物理,这是叫寻美而求真。为什么这么讲,数学家觉得什么东西都要追求最美妙的状态。

 

当年古希腊伟大的数学家柏拉图,命名了五个多面体为什么那么美丽,最后他讲得多了,以他的名字命名。人的脸非常对称,非常美丽,但对称的美丽非常脆弱,如下做这么一个多面体,我的角放的方向不对,就会导致方向的或缺,但欧拉把拓扑这个概念引进,顶角的数目减掉边的数目,加上面的数目始终等于二。

    

所以这是第一次引进了拓扑的概念,也是对我们美的理解,本来是非常脆弱的对称性,但是现在不管什么多面体,都有一个简单又普适的规律,这就是欧拉规律。我们发现的绝缘体,的确用了拓扑这个概念,在数学家来讲,要把所有数学的形状分解为最核心的,在数学家的观念里面,我们跟美国朋友吃早餐的时候,他们的早餐没有我们这么丰富,看起来非常无聊,但是美国的足球和欧洲的足球比起来,数学家认为是同样一件事情,虽然看上去外面的形状不太一样,有一个是椭圆,有一个是圆,但是里面都没有空,所以数学家也认为是一样的。我们发现的拓扑绝缘体,是因为车道的绝缘体,正好跟我们拓扑数量是一样的,所以我们命名为拓扑绝缘体。

    

所以拓扑是一个非常非常美妙的概念,大家可能看过一个好莱坞大片,《星际大战》,你真的执行是不可能的,但是你如果用了这个原理就可以进入,所以我们可以有另外一个洞孔,穿到另外一个世界里。我们可以用它来做导线,也可以把它的热能变成电能。更神奇的是量子计算机,通常经典计算机非常难算的题目,用量子计算机算非常快。材料的发现对于人类世界非常重要,我们过去有旧石器时代、新石器时代,都是以材料来命名,所以我们新材料的发现非常重要,过去我们的发现都是理论上发现,这次是精准的预言,我们希望大家继续找到新的材料,继续造福于人类。

 

注:本文来自张首晟教授于2016年12月份在“复旦科技创新论坛”上的演讲,经授权转发,略有删改。

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