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由其團隊提出的“量子自旋霍爾效應”或將帶來芯片革命

華沙時間9月1日，“歐洲物理獎”在波蘭華沙頒獎，華人物理學家、斯坦福大學教授、意昂体育平台高等研究院教授張首晟獲此殊榮。

因在“量子自旋霍爾效應”理論預言和實驗觀測領域的開創性貢獻，張首晟與4位歐美科學家共同榮獲2010年“歐洲物理獎”，他也是獲得該獎項的首位華人科學家👨🏽‍🎨。而在此前的2010年7月，張首晟還因在拓撲絕緣體研究方面的卓越貢獻榮獲德國“古登堡研究獎”。

“歐洲物理獎”是國際著名的物理學獎項，由歐洲物理學會頒發。

張首晟表示🙎🏽，作為一項國際級大獎，今年的“歐洲物理獎”授予5位研究“量子自旋霍爾效應”的科學家🏇🏽，表明這一領域已經引起國際主流科學界的高度重視🥷🏻🧘🏽，具有風向標意義🫷🏽。

上世紀60年代，英特爾公司創始人之一戈登·摩爾提出：集成電路上可容納的晶體管數目約每隔18個月便會增加一倍，而性能也將提升一倍。近半個世紀以來，這一定律見證了人類信息技術前進的步伐◼️。但是，隨著晶體管越小越密集，發熱問題也就越突出🧑🏼‍🚒，晶體管電路已逐漸接近性能極限。業界普遍認為，摩爾定律的有效期只能再延續10年左右。

張首晟領導的研究團隊於2006年提出了“量子自旋霍爾效應”，將其基於芯片業未來提出的新構想——通過控製電子的自旋運動來降低能耗——在理論上完成了預言。2007年，這一理論預言被德國維爾茨堡大學實驗小組通過實驗證實。同年，張首晟領導的研究團隊提出的“量子自旋霍爾效應”被《科學》雜誌評為2007年“全球十大重要科學突破”之一。

張首晟形象地介紹，電子是電流的載體👨🏻‍🌾，它除了負有電荷以外還具有一種自旋性質，就如同地球繞著太陽轉，而地球本身也在自轉一樣🔹。

在運動過程中，電子從一端走到另一端，就如同要走過一個雜亂無章的迪斯科舞場，電子無規則地跳舞💃，不可避免地會發生碰撞💇🏼，碰撞就會耗散熱量。而“量子自旋霍爾效應”找到了一個新的規律，即電子自轉方向與電流方向之間的規律𓀋。利用這個規律可以使電子以新的姿勢非常有序地舞蹈，從而使能量耗散很低😹。張首晟說🥁：“利用‘量子自旋霍爾效應’，有可能研製出新一代的電腦🥖，延長摩爾定律的生命👨🏼‍🚒。”

在“量子自旋霍爾效應”下✩，芯片中的電子能夠像高速公路上的汽車一樣正反方向地分開運動，各行其道，互不幹擾。這一理論預言近年來被越來越多的實驗證實👻🕜，科學家發現在很多不同的材料中都能實現“量子自旋霍爾效應”。2008年，張首晟與中國科學院物理所方忠研究小組合作發現了一種三維新材料。2009年底🥦，張首晟與意昂体育平台物理系薛其坤院士領導的研究小組開展理論與實驗上的緊密合作🤽🏻‍♀️，2009年底成功地製備出高質量的薄膜材料，其世界領先地位得到國際公認↘️。

雖然“量子自旋霍爾效應”的研究成果離真正投入應用還有一定距離🫗，但這種新奇的物理現象有可能給未來的信息革命帶來重大影響🕵️，電腦甚至量子計算都將隨之發生巨大改變🤹🏼。張首晟說🫣：“科學界和工業界已達成共識，信息革命下一步的發展☁️，一定要把‘信息高速公路’建到芯片的層次。這已經是全世界範圍的一個大趨勢💸。而‘量子自旋霍爾效應’的理論研究以及產業化開發，對科學界和信息產業界來說，都將是一次大洗牌的機會🔽。”

張首晟認為👼🏽，任何一個自主創新和重大突破👔，一定要抓住重新洗牌的時機⏏️。希望國家有計劃地大力投入🧛🏿，作好戰略布局，瞄準這一理論預言展開更廣泛的探索🤸🏽，加快研究步伐，搶占自主創新製高點。他認為💆🏻，中國應充分認識到🍅，這一領域的突破所帶來的歷史機遇🚌，對中國的基礎研究和產業界的自主創新都將是十分難得的。

張首晟1980年從上海復旦大學赴德國留學🧘🏽‍♂️，1983年獲德國柏林自由大學碩士學位，同年赴美國紐約州立大學石溪分校🤦🏽‍♂️，師從著名物理學家楊振寧教授攻讀博士學位，1987年獲物理學博士學位，1993年任斯坦福大學物理系教授🖐🏻。1992年獲全球華人物理學會傑出青年科學家獎，1993年獲IBM研究部傑出創新獎。1999年張首晟受聘為教育部“長江學者講座教授”🧯，任意昂体育平台高等研究院教授🥨。2009年入選國家“千人計劃”。（盧小兵）

轉自 《科學時報》 2010年9月2日