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为什么说张首晟是这一代华人物理学家中,离诺奖最近的一位?

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2018年12月1日,物理学家张首晟去世了。杨振宁曾说,“他获得诺贝尔奖只是时间问题。”


2018年12月1日,物理学家张首晟去世了。杨振宁曾说,“他获得诺贝尔奖只是时间问题。”

为什么说张首晟是这一代华人物理学家中,离诺奖最近的一位?

张首晟教授 | 斯坦福大学官网

在1978年刚刚恢复高考的时候,张首晟老师以15岁的年龄考入了复旦大学物理系,可谓少年天才。在复旦大学学习两年之后,就被选派到德国留学,1983年从柏林自由大学毕业后,到了美国纽约石溪大学的“杨振宁理论物理研究所”攻读博士学位。所以张首晟出国很早,没有参加后来李政道先生发起的CUSPEA项目。尽管张首晟博士期间名义上的导师是荷兰人Peter van Nieuwenhuizen,但他是向往着杨振宁而去的纽约并且多次接受过他的指导,所以杨振宁先生一直把张首晟当成自己的学生,而且是自己的学生中最出色的,没有之一。

张首晟于1987年拿到博士学位,之后的学术生涯一帆风顺,在加州大学圣芭芭拉分校理论物理研究所IBM研究中心做了两期博士后以后,1993年成为斯坦福大学的助理教授,2004年正式称为斯坦福大学终身正教授。这期间他最著名的成果是高温超导的SO(5)对称性理论

为什么说张首晟是这一代华人物理学家中,离诺奖最近的一位?

△斯坦福大学外景 | King of Hearts / Wikimedia Commons

张首晟老师的研究领域是理论凝聚态物理。凝聚态物理学是现代物理学最大的分支,占了物理从业人数的半壁江山(在中国甚至是大半壁江山)。凝聚态物理学以量子力学为基本原理,研究固体、液体等由原子紧密聚集而成的状态(称为“相”),以及状态之间的相变,其核心内容是研究电子在各种由原子组成的周期势阱(晶格)中产生的量子效应

凝聚态物理学在20世纪下半叶蓬勃发展,产生了4大热点,分别是半导体、超流、高温超导(铜基超导)、量子霍尔效应(包括整数的和分数的),其中半导体的研究导致了晶体管和集成电路的发明,为我们带来了电子计算机并催生了人类第三次科技革命(即信息革命)。到了21世纪,凝聚态物理学又产生了两大热点,一个是铁基超导,另一个是拓扑绝缘体,而张首晟领导的团队就是理论预言出拓扑绝缘体和其量子自旋霍尔效应的两个小组之一,并且和德国的实验团队合作第一次观察到了这个效应[1]。

拓扑绝缘体中的“拓扑”,指的是电子能带的波函数在动量空间的拓扑性质,当这个拓扑性质处于一个特殊状态时,能够让一个绝缘体的边界出现导电状态,并且可以产生量子自旋霍尔效应。所以拓扑绝缘体和量子自旋霍尔效应其实是一个大成果,也是张首晟最重要学术成果。也正是因为这个成果,张首晟成为了这一代华人物理学家中离诺贝尔奖最近的一位。当然由于Charles Kane和Eugene Mele做出这方面的理论预言要更早一年[2],张首晟的顺位排在了二人之后[3]。因为这项工作,张首晟、Kane和Mele一起几乎拿遍了除诺贝尔物理学奖之外的各种理论物理奖。

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△2015年,张首晟与Kane、Mele一起获得本杰明·富兰克林奖章 | The Franklin Institute

“天使粒子”是张首晟团队的另一个发现,但只能屈居第二,因为它是建立在发现拓扑绝缘体的基础上的。所谓天使粒子并不是简单地指Majorana费米子,而是特指手征性的Majorana费米子,是一种只有在凝聚态体系中才能演生出来的准粒子(手征性由粒子的自旋决定,比如电子自旋有两个分量,一个左旋,一个右旋,左和右就是手征性)。Majorana费米子的定义是其反粒子就是自身的费米子,基本粒子中只有中微子有可能是Majorana费米子。但是在拓扑绝缘体和超导体接触的表面,电子的运动模式可以演生出一种只有一半自由度的Majorana费米子准粒子,即它的手征性只有右手,没有左手,就像天使和魔鬼的对立中只有天使,没有魔鬼,这就是天使粒子一词的由来。张首晟团队做出了一系列理论预言[4]并和实验团队合作第一次确认了其存在[5]。

当然,无论是拓扑绝缘体还是天使粒子,都还在原理研究阶段,离器件和应用层面还相去甚远,所以张首晟老师的科研工作和芯片是不沾边的。不过身在硅谷的发源地斯坦福大学,创业氛围得天独厚,张首晟老师名下的丹华资本致力于将硅谷模式引进中国,为中国的高新技术做贡献。

作者:九维空间

参考文献:

[1]Markus König, Steffen Wiedmann, Christoph Brüne, Andreas Roth, Hartmut Buhmann, Laurens W. Molenkamp, Xiao-Liang Qi, Shou-Cheng Zhang, “Quantum Spin Hall Insulator State in HgTe Quantum Wells”. Science 318, 766–770 (2007)

[2] C. L. Kane and E. J. Mele, “Quantum Spin Hall Effect in Graphene”. Physical Review Letters. 95 (22). p. 226081 (2005).

[3]B. Andrei Bernevig and Shou-Cheng Zhang, “Quantum Spin Hall Effect”. Physical Review Letters. 96 (10). p. 106802 (2006).

[4] X. L. Qi, T. L. Hughes, S. Raghu, S. C. Zhang, “Time-reversal-invariant topological superconductors and superfluids in two and three dimensions”. Physical Review Letters. 102, 187001 (2009); X.-L. Qi, T. L. Hughes, S.-C. Zhang, Chiral topological superconductor from the quantum Hall state. Phys. Rev. B 82, 184516 (2010); S. B. Chung, X.-L. Qi, J. Maciejko, S.-C. Zhang, Conductance and noise signatures of Majorana backscattering. Phys. Rev. B 83, 100512 (2011); J. Wang, Q. Zhou, B. Lian, S.-C. Zhang, Chiral topological superconductor and half-integer conductance plateau from quantum anomalous Hall plateau transition. Phys. Rev. B 92, 064520 (2015).

[5]Qing Lin He, Lei Pan, Alexander L. Stern, Edward C. Burks, Xiaoyu Che, Gen Yin, Jing Wang, Biao Lian, Quan Zhou, Eun Sang Choi, Koichi Murata, Xufeng Kou, Zhijie Chen, Tianxiao Nie, Qiming Shao, Yabin Fan, Shou-Cheng Zhang, Kai Liu, Jing Xia, Kang L. Wang. “Chiral Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall insulator–superconductor structure”, Science 357, pp. 294-299 (2017).

拓扑绝缘体和量子自旋霍尔效应其实是一个大成果,也是张首晟最重要学术成果。

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