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由其团队提出的“量子自旋霍尔效应”或将带来芯片革命

华沙时间9月1日，“欧洲物理奖”在波兰华沙颁奖，华人物理学家、斯坦福大学教授、清华大学高等研究院教授张首晟获此殊荣。

因在“量子自旋霍尔效应”理论预言和实验观测领域的开创性贡献，张首晟与4位欧美科学家共同荣获2010年“欧洲物理奖”，他也是获得该奖项的首位华人科学家。而在此前的2010年7月，张首晟还因在拓扑绝缘体研究方面的卓越贡献荣获德国“古登堡研究奖”。

“欧洲物理奖”是国际著名的物理学奖项，由欧洲物理学会颁发。

张首晟表示，作为一项国际级大奖，今年的“欧洲物理奖”授予5位研究“量子自旋霍尔效应”的科学家，表明这一领域已经引起国际主流科学界的高度重视，具有风向标意义。

上世纪60年代，英特尔公司创始人之一戈登·摩尔提出：集成电路上可容纳的晶体管数目约每隔18个月便会增加一倍，而性能也将提升一倍。近半个世纪以来，这一定律见证了人类信息技术前进的步伐。但是，随着晶体管越小越密集，发热问题也就越突出，晶体管电路已逐渐接近性能极限。业界普遍认为，摩尔定律的有效期只能再延续10年左右。

张首晟领导的研究团队于2006年提出了“量子自旋霍尔效应”，将其基于芯片业未来提出的新构想——通过控制电子的自旋运动来降低能耗——在理论上完成了预言。2007年，这一理论预言被德国维尔茨堡大学实验小组通过实验证实。同年，张首晟领导的研究团队提出的“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。

张首晟形象地介绍，电子是电流的载体，它除了负有电荷以外还具有一种自旋性质，就如同地球绕着太阳转，而地球本身也在自转一样。

在运动过程中，电子从一端走到另一端，就如同要走过一个杂乱无章的迪斯科舞场，电子无规则地跳舞，不可避免地会发生碰撞，碰撞就会耗散热量。而“量子自旋霍尔效应”找到了一个新的规律，即电子自转方向与电流方向之间的规律。利用这个规律可以使电子以新的姿势非常有序地舞蹈，从而使能量耗散很低。张首晟说：“利用‘量子自旋霍尔效应’，有可能研制出新一代的电脑，延长摩尔定律的生命。”

在“量子自旋霍尔效应”下，芯片中的电子能够像高速公路上的汽车一样正反方向地分开运动，各行其道，互不干扰。这一理论预言近年来被越来越多的实验证实，科学家发现在很多不同的材料中都能实现“量子自旋霍尔效应”。2008年，张首晟与中国科学院物理所方忠研究小组合作发现了一种三维新材料。2009年底，张首晟与清华大学物理系薛其坤院士领导的研究小组开展理论与实验上的紧密合作，2009年底成功地制备出高质量的薄膜材料，其世界领先地位得到国际公认。

虽然“量子自旋霍尔效应”的研究成果离真正投入应用还有一定距离，但这种新奇的物理现象有可能给未来的信息革命带来重大影响，电脑甚至量子计算都将随之发生巨大改变。张首晟说：“科学界和工业界已达成共识，信息革命下一步的发展，一定要把‘信息高速公路’建到芯片的层次。这已经是全世界范围的一个大趋势。而‘量子自旋霍尔效应’的理论研究以及产业化开发，对科学界和信息产业界来说，都将是一次大洗牌的机会。”

张首晟认为，任何一个自主创新和重大突破，一定要抓住重新洗牌的时机。希望国家有计划地大力投入，作好战略布局，瞄准这一理论预言展开更广泛的探索，加快研究步伐，抢占自主创新制高点。他认为，中国应充分认识到，这一领域的突破所带来的历史机遇，对中国的基础研究和产业界的自主创新都将是十分难得的。

张首晟1980年从上海复旦大学赴德国留学，1983年获德国柏林自由大学硕士学位，同年赴美国纽约州立大学石溪分校，师从著名物理学家杨振宁教授攻读博士学位，1987年获物理学博士学位，1993年任斯坦福大学物理系教授。1992年获全球华人物理学会杰出青年科学家奖，1993年获IBM研究部杰出创新奖。1999年张首晟受聘为教育部“长江学者讲座教授”，任清华大学高等研究院教授。2009年入选国家“千人计划”。（卢小兵）

转自 《科学时报》 2010年9月2日