在第十四屆中國(guó)科協(xié)年會(huì)特邀報(bào)告上，斯坦福大學(xué)物理系教授、清華大學(xué)“千人計(jì)劃”特聘教授張首晟作了題為《創(chuàng)新在中國(guó)》的特邀報(bào)告。在報(bào)告中，張首晟解釋了他在拓?fù)浣^緣體研究方面取得的成就，并分享了他在科學(xué)研究方面的創(chuàng)新經(jīng)驗(yàn)。

張首晟在報(bào)告中說，目前，IT行業(yè)因?yàn)闊o法解決電子芯片越變?cè)叫淼臒崂鋮s問題而不能像摩爾定律指出的那樣發(fā)展了，對(duì)IT行業(yè)技術(shù)發(fā)展來說這是一個(gè)瓶頸，但是對(duì)科學(xué)工作者來說，這個(gè)瓶頸是一個(gè)非常好的創(chuàng)新機(jī)會(huì)，因?yàn)槲覀冎袊?guó)現(xiàn)在在整個(gè)IT領(lǐng)域，在基礎(chǔ)技術(shù)上還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后，比如最核心的芯片都是掌握在國(guó)外大公司手中。如果我們找到新材料突破IT業(yè)的這個(gè)瓶頸，就能實(shí)現(xiàn)真正的超越，走到世界的前面。

張首晟說，為什么芯片在工作的時(shí)候有很大的功耗，主要是電子在芯片里的運(yùn)轉(zhuǎn)，基本上就像一輛高速的跑車在集市中奔跑一樣，電子之間會(huì)相互碰撞，也會(huì)和雜質(zhì)碰撞。怎么解決這個(gè)問題？我們的靈感來自高速公路的工作原理，叫做各行其道，互不干擾，把車分到不同的車道，把相反的運(yùn)動(dòng)分割開來，這樣就會(huì)減少碰撞的概率，在運(yùn)行的過程中就會(huì)非常順。在微觀世界里使電子能夠有這樣的運(yùn)行方式，就涉及到量子霍爾效應(yīng)，這是近代物理學(xué)的一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)。它的科學(xué)道理看起來非常高深，但我們用非常簡(jiǎn)單的公式可以表達(dá)，2=1+1。例如，我們?cè)谝痪S的空間有兩種走法，可以往前走，也可以往回走，一旦碰到障礙就會(huì)彈回來。電子也是這樣，在運(yùn)行的過程中如果碰到雜質(zhì)，本來是往前走的，就會(huì)變成往回走。量子霍爾效應(yīng)就是把這兩種不同的運(yùn)動(dòng)方式，即往前走或者往后走的在空間上分開，使得往前走的在系統(tǒng)的上面走，往回走在系統(tǒng)的下面走。量子霍爾效應(yīng)是非常偉大的發(fā)現(xiàn)，但在很長(zhǎng)時(shí)間里其實(shí)沒有非常重大的實(shí)用價(jià)值，因?yàn)樗膶?shí)現(xiàn)一定要用非常強(qiáng)大的磁場(chǎng)。我們的科學(xué)發(fā)現(xiàn)是通過簡(jiǎn)單的推理，把2=1+1換算成4=2+2。電子除了按一個(gè)方式運(yùn)動(dòng)外，還有一個(gè)自旋，所以在一維空間里面，它有四種不同的運(yùn)動(dòng)方式，可以向上、向下，也可以往前、往后。我們的工作就是把這四種方式在空間當(dāng)中拆分為2+2，從而發(fā)現(xiàn)了這種神奇的拓?fù)浣^緣體。

張首晟說，簡(jiǎn)單解釋一下，為什么電子既可以往前走，又可以往回走，而不發(fā)生反射呢？這主要是因?yàn)榱孔邮澜缋镉幸恍┓浅Ｆ婷畹默F(xiàn)象。我們?cè)诤暧^世界里，任何一個(gè)物體當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)360度時(shí)總會(huì)回到原點(diǎn)。但電子不一樣，它有自旋，當(dāng)你將它轉(zhuǎn)360度后，它不會(huì)回到原點(diǎn)。我們就是利用了電子的這個(gè)奇妙現(xiàn)象，或者在某種程度上是拓?fù)涞脑?，使不同“車道”能夠分開。這也可以用宏觀世界來說明，比如地球，它有自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)。同樣在微觀世界里，電子也有一個(gè)公轉(zhuǎn)和自旋。愛因斯坦相對(duì)論做了一個(gè)非常奇妙的預(yù)言，電子自旋和公轉(zhuǎn)有非常本真性的耦合，我們就是利用了相對(duì)論的這個(gè)效應(yīng)來預(yù)言，很多材料能夠達(dá)到這種自旋軌道的耦合，并且用這個(gè)原理實(shí)現(xiàn)了分開“車道”的目的。

張首晟說，拓?fù)浣^緣體，簡(jiǎn)單來講它的內(nèi)部是絕緣的，表面是導(dǎo)電的。我們中國(guó)很多陶瓷就是這樣，陶瓷本身是一個(gè)絕緣體，但是陶瓷表面可以鍍金，就是內(nèi)部不導(dǎo)電，表面導(dǎo)電，但是這種辦法是不穩(wěn)定的。陶瓷的表面材料跟大氣反應(yīng)后，過一段時(shí)間導(dǎo)電性能就會(huì)消失。但是拓?fù)浣^緣體有一個(gè)非常奇妙的現(xiàn)象，它的導(dǎo)電層是自己產(chǎn)生的，不需要外界任何條件。如果跟外面大氣反應(yīng)之后，即使上面一層消失，下面還會(huì)有導(dǎo)電層，從某種程度上說是永不消失的“鍍金”。所以，拓?fù)浣^緣體在信息產(chǎn)業(yè)中將會(huì)得到非常重要的應(yīng)用，它正在從科學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)。

張首晟最后和大家分享了自己在科學(xué)工作方面的一些經(jīng)驗(yàn)和感受。他說，科學(xué)的發(fā)現(xiàn)有第一流的儀器是不夠的，還需要有第一流的想法?！拔以谇迦A大學(xué)，大家問創(chuàng)新的靈感到底何在？我說，隨著人們年齡的增長(zhǎng)，知識(shí)也在增長(zhǎng)，但是創(chuàng)意往往是在下降。因?yàn)橹R(shí)越多，看到新生事物時(shí)，就總是想能不能用老套的辦法來解決。年輕人則不同，他們雖然知識(shí)不足，但創(chuàng)意很多。我作為科學(xué)工作者，作為教授，就要去教本科生，把知識(shí)傳授給他們，而他們則可以給我提供很多新鮮創(chuàng)意，這是一個(gè)雙贏的方法。”