张首晟创新在中国 清华大学特聘教授张首晟作科协年会报告《创新在中国》
人民网石家庄9月8日电(记者 王泓漓)今天上午,由中国科协与河北省人民政府联合主办的第十四届中国科协年会在石家庄市河北会堂举行开幕式,本届会议主题为“科技创新与经济结构调整”。开幕式结束后为大会特邀报告阶段,斯坦福大学物理系冠名教授、清华大学“千人计划”特聘教授”张首晟作报告,主题为《创新在中国》。全文如下:
各位领导、各位嘉宾,我非常感谢今天有这样的机会在科协的年会上给大家做主题报告。我也是非常荣幸去年就开始参加科协的年会,我们在去年的时候获得求是杰出科学家奖。
我今天的题目是《创新在中国》,是最近在科学技术上的一个发明和创新,很多工作是在中国做出来的,当然也是很大一部分是在国外做出来的。我想跟大家介绍一下在国内科学创新方面的工作和经验,我今天题目里所报告的会提到一些材料科学上的重大发现,它的名字叫“拓扑学”。
大家在左边可以看到一个二维的材料,右边可以看到一个三维材料,这些材料很可能是在新一代的IT工业里是起到革命性的作用。更奇妙的一点,它的发现和更深刻的原理是跟数学非常高深的原理紧密结合的。
下面有一个标签,它随着时间在动,比如一个茶杯,它随时可以相互转换,这个概念是数学里非常深奥的概念,叫做拓扑的概念。通过这个例子来跟大家说明技术创新和科学发现之间的关系。
我们知道今天的信息社会之所以能够蓬勃发展,和一个定律分不开,就是摩尔定律,我们计算的功能每过18个月就加倍一次,这样发展的规律是一个指数发展的规律,在过去的50年、60年的阶段里,整个IT行业的发展尤其是在计算能力上,基本上是一个技术上的问题。
在这之前是一个科学问题。量子发现使得我们理解了电池的波动性,一旦有了波动性之后就有能量代谢的概念,有了能量代谢概念就有电子的空缺,能够导电的概念,一旦有这个之后就有三极管的概念。
在科学的开始是科学的发现,是本世纪20年代、30年代量子引进电磁性的科学发现,带来了今天的工业革命。但是在过去的50年、60年在整个IT领域的发展,基本是按照一个机械的规律,每过18个月把它的计算能力加倍一次,即摩尔定律。
但是现在在业界普遍都认为,现在已经看到按照传统计算方法根本解决不了的问题。最大的问题就是我们过去只是一个技术的革新,而不是一个科学的发现在推动这个领域的发展,每一个三极管,我们只是把它越做越小,没有改变根本的工作原理。
每个三极管都是在运算的过程当中都需要发热,如果三极管的数字每过18个月加倍一次,这个计算机芯片的功耗也是每过18个月加倍一次,现在是很难继续像摩尔定律讲的规律来发展。这张图片也是当我们芯片技术越变越小的时候,它的运转过程当中热冷却根本没有办法解决。
对于这样的瓶颈,对技术发展是一个瓶颈,但是对科学发现是一个创新的机会。在我们古老的文化当中能够体现出来,是危也是机,对我们科学工作者来讲是一个非常好的机会,同样来说对科学是一个机会,对我们中国也是一个机会,因为我们中国现在在整个IT领域,在基础技术上还是远远落后,比如最核心的芯片都是掌握在国外大公司手中。
如果我们真正超越的话也要找到一个新的技术,如果在老的技术环境下还是非常难的超越,我们现在碰到这样的机会是业界的危机,是科学创新的机会,也是对我们中国能够真正利用这次机会走到前面的机会。
我们讲新材料跟新原理有关,我们在自然界同样的水分子的构成有三个不同的态,可以变成水、变成气体、变成冰,如果打开是同样的水分子。同样电子在过去几年间,形成不同的态,可以是半导体、可以是一个晶体、是一个绝缘体。
而我们这次的发现是非常重大的科学发现,发现电子会以一种新的态,是非常奇异的功能,解决技术上的危机,带来科技上的革命。为什么今天的芯片在工作的时候有那么大的功耗,主要是电子在芯片领域的运转,它的运行基本上是这样的,在过去50年、60年,它基本上像一辆高速的跑车,在机器上走,在走的时候有电子之间的相互碰撞,也有和杂质之间碰撞。
(图)如果我们看懂这张图片的话,我们创新的灵感很容易来到。既然有一个汽车可以在感应器上运行,它肯定有一个新的原理,像高速公路的工作原理,是什么工作原理?叫做各行其道,互不干扰,把车分成不同的车道,相反的运动是分割开来的,一旦分割开来之后就减少碰撞的概率,在运行的过程当中非常的顺,这也是我们新想出来的理念。
这个图片看起来比较容易,在人类的世界里,如果把高速公路修好之后,会定一个法规,自动的分成两个不同的车道。但是在微观世界里、电子世界里怎么寻找自然的规律,使得电子能够有自动的运行方式。这里有一个量子霍尔效应,在静态物理里面有一个重大的科学发现,曾经获得过两次诺贝尔奖金。
这样看来它的科学道理非常高深,我们用非常简单的公式来表示,2=1 1,比如我们用一维的空间,在很好的情况下,长城是一维的通道,有两种走法,可以往前走,也可以往回走,比如我们大部队往前走,一旦碰到障碍就会弹回来,比如电子在运行的时候会碰到杂质的影响,本来是往前走的话,就会往回走。
量子霍尔的效应就是把两种不同的运动方式,往前走或者往后走,就是刚才讲的高速公路的原理,把它在空间上分开,使得往前走的是在这个系统的上面,往回走在系统的下面,这个现象在80年代被发现,称之为量子霍尔效应。
比如电子在系统上面走的时候,碰到杂质会简单绕一个弯继续往前走,就像我们高速公路的原理一样,碰撞一下很难到车道的另外一边。
这个量子之所以形成是有强大的外层,为什么电子回知道在上面是往前走,在下面是往回走,这有一个强磁场的影响,使得电子达到运动的方式。量子霍尔效应是非常伟大的发现,其实没有非常重大的实用价值,因为它的实现一定要用到非常高的磁场,我们的电脑,我们不能用这种方式。
我们的科学发现是简单的推理,把2=1 1算成4=2 2。电子除了按一个运动的方式之外,还有一个自旋,这是微观世界里面非常奇妙的一个现象,我们在高中的化学当中知道也知道量子它可以自旋,所以在一维空间里面,它有四种不同的运动方式,可以向上,也可以向下,也可以往前、往后。
我们的工作把这四种方式在空间当中拆分为2 2。
在某种程度上之前向上的电子是顺时针,向下的是逆时针。我们利用这个原理在2006年的时候做了理论上的研究,在过去任何新的材料的发现,包括量子霍尔效应、超导体和半导体,往往是科学家在实验室里非常辛苦的工作,往往都是偶然的发现,而这次量子霍尔效应与量子自旋效应完全来自于理论的指导,我们在2006年在科学上做了这么一个奇妙的语言,语言这个材料会达到这个奇妙的境界。
简单解释一下,为什么在这上面看到电子又可以往前走,又可以往回走,为什么不能够反射呢?主要是量子世界有一些非常奇妙的现象,我们在宏观世界里,任何一个宏观的物体当你转化360度的时候始终会回到原点,电子的世界是非常奇妙的,电子是自旋,当你转360度不会到原点,这是我们学非常基础的量子力学的时候会知道这是电子世界里非常奇妙的现象。
我们利用这个电子这么奇妙的现象,或者在某种程度上是拓扑的原理,就像这次年会的会标,我们上面有类似的图案。所以电子也有同样的奇妙的拓扑的性质,使不同车道能够分开。
科学的发现给我们技术的革命带来什么呢?在20年代量子力学的发现导致对半导体有一个理解,我们知道电子一旦有波动性之后有能谢的概念,这是量子力学基本的发现带来技术上的革命。在20世纪初另外一个伟大的革命就是爱因斯坦的相对论,我们大家知道是非常奇妙的科学的发现,我们今天还在讲一些非常奇妙的预言,我们最近发现量子霍尔效应和拓扑绝缘体的发现确实体现到爱因斯坦的相对论有可能在真正的工业革命上是非常重要的作用。
为什么是这个原理呢?今天我们看电子的世界,如果看不懂的话,可以用宏观世界来看,比如在宏观世界里看地球是绕着太阳在转,地球有一个自转,有一个公转,地球自转一次是一天,绕着太阳转一次就是一年。
同样在微观世界电子业有一个公转和自转。但是爱因斯坦相对论做非常奇妙的预言,电子自旋和公转有非常本真性的偶然,我们利用相对论的效应来预言,有很多的材料能够达到这种自旋轨道的耦合,并且用这个原理使得它自动分开。
非常幸运的是在2006年、2007年德国的科学实验小组证明,这也是科学上成功的故事,当时2007年被评为所有科学领域里十大科学发现之一。2009年中国刚刚开始推动“千人计划”,我作为个人是非常荣幸的,在78年的时候,我们中国刚刚开始放开可以考大学的时候,我当时还没有读高中,就试了一下,考上了大学,我们中国又开始推行留学生出国,我当时被选拔到德国的柏林大学读书,我现在在斯坦福大学任教的时候总是惦记着祖国的发展。
2009年中国发展到现在正是要科技创新来带领整个中国发展的时候,我们2009年开始推行了“千人计划”,也开始进行广泛的交流。在2006年、2007年虽然被科学杂志评为十大科学发明之一,但是在整个科学界影响还是相当小的,因为这个材料非常奇怪,是比较稀有的材料,没有在整体上推动。
2009年回国以后有“千人计划”,和国内的同事开始非常广泛的合作。2006年、2007年已经看到一些苗头,到2008年和2009年我们利用“千人计划”和国内同事进行广泛的合作,我们中国在这个领域里起的关键性的作用一会儿会介绍。[11:59]
其中我们和中国科学院物理所进行广泛合作,因为他们对材料科学非常了解,我们也知道这些奇妙的拓扑绝缘体的材料在右下角可以找到。我们和物理所进行合作,发现一系列的三维的拓扑绝缘体。我们和科学院的合作找到一系列新的材料,这个材料在室温的情况下可以很好的工作,和半导体不一样,当中有一个表面钛,这会起到非常奇妙的作用。
(图)拓扑绝缘体,简单来讲它的内部是绝缘的,表面是导电的。我们中国很多陶瓷就是这样,陶瓷本身是一个绝缘体,但是陶瓷表面可以镀金,就是体内不导电,表面导电,但是这种办法是不稳定的,跟大气反应后,本来表面可以导电,但是过一段时间就会消失。
但是这种拓扑绝缘体是非常奇妙的现象,它的导电层是自己产生的,不需要外界任何的条件所产生。如果跟外面大气反应之后,上面一层消失,下面也会有,从某种程度上是永不消失的镀金。
我们与清华大学合作,在设置上已经达到国际一流的水平。我们知道科学的发现有第一流的仪器是不够的,还需要有第一流的想法,才能真正走到科学的最前沿。我们用了世界顶级的一套仪器,真正达到在世界上举世瞩目的成就。
我在清华大学,大家在问创新的灵感到底何在?我们可以看两种属性。随着人们年龄的增长,知识在增长,但是创意往往是在下降。知识越多,看到新生事物总是想能不能用老套的办法来解决。我觉得清华大学的大学生的确可以说是全世界领先的,他们的本科生一定要很快时间里面走到科学前沿。
有一种办法,作为科学工作者,作为教授,我们有责任去教这种本科生。但是有一种更好的方法,我们作为科学家自己感觉到这是一种双赢的方式,就是我刚才讲的两种曲线,我们随着年龄增长知识在增长,我们可以把知识传授给他们,但是他们的创意是非常多的,因为他们非常年轻。
所以在这些领域我们在本科生开始,和非常杰出的本科生,其中有一些是高中生的时候就和他们取得联系,在科学研究上他们给我们很多灵感,今天因为整个领域的发展,他们也将成为领军人物。
今年是杨振宁先生的90岁大寿,我作为他的学生被邀请作报告。我作为杨先生的学生,他的建树是我们后备望尘莫及的,到底能不能实现青出于蓝而胜出兰。我是非常有信心的,今后20年、30年,我的学生肯定会超过他的学生。
因为我们的工作得到了国际上科学杂志的好评,评为全球科学领域的四大发现之一。刚才报告的几个嘉宾,今年中国召开了创新大会,胡锦涛总书记参加了创新大会,并做了重要讲话。其中他提到了我们在基础领域取得的重大成就,就包括了拓扑,我们这个领域正在起飞,我们抓住了这个时机,我们用理论可实验的机会把这个理论带到世界。
(图)这是去年天津举行的科协年会上的图片,我被荣幸的授予杰出科学家奖,我们这个团队被授予求是杰出科研团队。我个人得到了很多荣誉。2010年获得欧洲物理奖,2012年获得狄拉克奖,2012年美国物理学会的巴克利奖,获得这些荣誉也要感谢国内的同事。
拓扑绝缘体在信息产业中可能会得到非常重要的应用。它的具体实施方案已经被接受,正在从科学转变为技术的过程中。这个技术在2006年是粗糙的理论语言,现在大家已经在谈非常具体的应用性。不仅在IT领域有重大应用,在能源技术上也可能有重大应用,拓扑绝缘体也是非常好的热能材料。我们知道大自然有很多的温差,这些拓扑绝缘体很可能是非常好的热电材料。
我们想真正走到科学前沿,一定要有非常敏锐的眼光发现刚刚还在起飞的领域,只有在这些领域我们才能公平竞争,我们要创导创新机会,首先要有敏锐的眼光,科学工作者要有敏锐的眼光,科学的领导也要敏锐的看到这个领域的新发展,特别是要抓住新领域的发展机会。
作为科学家,科学之所以能够有发展来自始终不渝的灵感。我1978年进入大学,我个人在那之前就非常好学,这种好奇心很早就被培养,今天已经成为科学家,但是我始终在学习新的东西。我们真正创造的机会往往是在一个领域工作一段时间,再学习新的知识以后就有创新的火花产生。
比如今天的iPhone就是把一个技术和艺术结合在一起,它的设计非常漂亮,它的功能又设计的非常好,在这个过程中找到了新的创新,而且要凭个人的创造力和团队的合作,最原始的创新火花往往在个人的脑子里。
今天的中国,信息化给中国带来了很大推动,很可能在相当短的时间里我们能够在这个领域内取得国际一流的发展。但是现在还是碰到了一些问题。尽管目前国内本科生非常优秀,但是研究生外流是非常严重的问题。我们非常有信心,国家有那么大的决心,有那么大的资源,我们一定紧密合作,在科学领域不断创新,也为我们的民族、为我们的国家带来更高的荣誉。谢谢。
