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激光人物

找到拓撲絕緣體的人走了,為我們在巨大未知中留下一束光

rongpuiwing 來源:果殼網2018-12-10 我要評論(0 )   

張首晟去世了,55歲。如果我們冒昧地總結他的一生,有一個關鍵詞,特別醒目:天才的物理學家。驚艷的物理少年跟故事里的很多天才

張首晟去世了,55歲。

如果我們冒昧地總結他的一生,有一個關鍵詞,特別醒目:天才的物理學家。

驚艷的物理少年

跟故事里的很多天才一樣,張首晟有著驚艷的少年時光。

他1963年出生于上海,早在童年的時候,張首晟就深受啟發(fā)。小學期間正值“文化大革命”,那時候科學類書籍很少,所以家里閣樓里能找到的任何書籍他都會看。那里所有的書本都是叔叔們留下的,他們研究的是人文科學。所以,盡管他父親是工程專業(yè)的,但是他早期的童年教育主要是關于人文科學的。即便后來,他也仍然非常喜歡這些學科。

15歲時恰逢高考恢復,他爸拿一套數理化叢書,讓他自學。張就這樣讀了一個暑假,本想試一下,結果就考上了——復旦物理系。

求學之路對于張來說,如同是一部快進的電影:

16歲,在復旦讀了一年,他被國家選中,公派留學;

1980年,他赴德國柏林自由大學留學,當時他有五年的獎學金,卻只花了三年就完成了物理學位;

20歲,取得了德國碩士。一次在德國大學城哥廷根參觀科學家墓地時,墓碑上都刻著的公式吸引了他的注意。這些簡單的公式總結了科學家們輝煌的人生,這讓他感覺到什么叫做世界因你而美麗;

接著,他赴美國紐約州立大學石溪分校深造,到楊振寧的門下攻讀物理學博士,24歲那年獲博士學位;

32歲,他成了斯坦福大學正教授,是這所頂級學府最年輕的終身教授之一。

找到拓撲絕緣體的人走了,為我們在巨大未知中留下一束光

年輕的張首晟丨斯坦福大學官網


找到拓撲絕緣體

但這還只是開始;十幾年之后,他將做出自己學術生涯中最重要的發(fā)現:找到拓撲絕緣體

也許有人還記得2010年《生活大爆炸》里謝爾頓為了炫耀學識而提到過“拓撲絕緣體”。片中一帶而過的名詞,在物理學屬于一個重要領域:如何使用拓撲學的數學工具來理解特殊場景下的物理世界。這個領域最初的開創(chuàng)者戴維·索利斯等人獲得了2016年的諾貝爾物理學獎,眾多物理學家認為張首晟雖是后來者,但做出的貢獻也足以得獎。

找到拓撲絕緣體的人走了,為我們在巨大未知中留下一束光

“你們誰熟悉拓撲絕緣體?”丨《生活大爆炸》截圖


拓撲學是一個數學分支,它研究的是“不連續(xù)”的特征。一個物體身上,大部分我們熟悉的特征都是連續(xù)的:一個長方形可以變大一點點,變小一點點,粗一點點,細一點點。拓撲學不關心這些。但是如果我在長方形上挖洞,那么它要么沒有洞,要么有1個、2個、3個……不會有4.5個洞或者1.414個洞。這樣的特征就是拓撲學關注的。

當然現代物理學關注的不是一個東西上有幾個洞,而是遠為抽象的特征,但這些特征同樣不連續(xù)。張首晟在研究這些特征的時候,成功創(chuàng)造出了 “拓撲絕緣體”。

設想一個有很多電子的大塊低溫薄膜,給它加上一個強磁場,它就會表現出一個奇妙的特點:只在薄膜的邊緣導電,但薄膜的中央不會導電。如果你拉伸這個薄膜,那么產生的新邊緣也會導電,中央依然不導電;就算你往邊緣里添加了本來足以阻斷電流的雜質,結果依然是邊緣繼續(xù)導電。出現這個現象的根本原因,就在于邊緣被“拓撲保護”起來了;就像長方形上有幾個洞不會隨意改變一樣,薄膜邊緣的電學特征也不會隨便改變。這個現象是量子霍爾效應的體現,很早就為人所知,只是在不太久之前才得到了拓撲的解釋。

但這個效應需要外加一個大磁場才能實現,這太麻煩了,而且在很多場合非常不切實際,無法應用。不用磁場能不能有這么厲害的特征?

也有,那就是理論預言的所謂“量子自旋霍爾效應”——用電子自己的自旋軌道耦合,來代替磁場的效果。而張首晟預言可以在HgTe量子阱實現這一點,并和德國團隊合作真的把它造了出來。他們得到的物質,無需外界作用自己就可實現拓撲保護效果,只在邊緣導電,內部則是絕緣體。這樣的物質,就是所謂的“拓撲絕緣體”。

找到拓撲絕緣體的人走了,為我們在巨大未知中留下一束光

拓撲絕緣體示意圖,中心一層為HgTe,上下兩層為絕緣物質丨斯坦福大學官網


這個發(fā)現在理論和應用里都有很重要的意義,不僅創(chuàng)造出了一種全新的物態(tài),為后續(xù)的眾多研究制造了新工具,而且它的獨特屬性也讓它有望在量子計算等領域大展身手。《科學》雜志把這項工作評為2007年的“全球十大重要科學突破”之一;這些成就也讓張首晟贏得了幾乎所有物理學界的榮譽:歐洲物理獎、巴克萊獎、狄拉克獎、尤里基礎物理學,富蘭克林獎等等。

2017年,張首晟還和眾多合作者一起做出了另一個重要發(fā)現:觀測到了“馬約拉納邊界模”,它具有自己的反面還是自己的奇妙屬性。被命名為“天使粒子”的它并非一個真正的基本粒子,只是一群電子表現出了特殊特征,但依然部分驗證了早年關于馬約拉納費米子的理論預言,也對量子計算有重大啟示。這一發(fā)現引發(fā)了學界的激烈討論和繼續(xù)跟進,《自然》雜志幾個月前才同時刊發(fā)了兩篇文章,報道兩個小組在這個領域的最新進展。

沒等到的諾貝爾獎

楊振寧曾經說,“他獲得諾貝爾獎只是時間問題”。然而,張首晟卻沒有等到那一天。2018年12月1日,著名物理學家張首晟突然去世。南華早報公布了其家人的郵件片段,稱他是在“與抑郁癥斗爭后……意外離世”。

我們不知道最后的時間中,張思考了什么,又做了怎樣的抉擇。由人類巨大未知組成的夜空中,這顆流星,耀眼地劃過。

張首晟說起過,他將他的發(fā)現叫做“天使粒子”的原因:“根據以往的認知,我們似乎生活在一個充滿正反對立的世界。有正數必有負數,有陰必有陽,有善必有惡,有天使必有惡魔?!庇^測到馬約拉納費米子準粒子,就像是瞥見了另一個世界的影子,在那里魔鬼并不存在,天使的反面依然是天使。

可惜那不是我們的世界。

張教授12月1日離世,12月6日消息公開,很快網上充滿了各種明顯不符合事實的陰謀論。

張首晟教授獲得的“歐洲物理獎”是在2010年,獎勵的是純粹的基礎物理成果。他的成就長期而言有可能在量子計算或芯片領域得到應用,但短期內并不可能,他也沒有投身于此。


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物理學科學家張首晟
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