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找到拓扑绝缘体的人走了,为我们在巨大未知中留下一束光

找到拓扑绝缘体的人走了,为我们在巨大未知中留下一束光

本文来自微信公众号:果壳(ID:Guokr42),作者:圆的方块、Cloud、EON、Ent。


张首晟去世了,55岁。


如果我们冒昧地总结他的一生,有一个关键词,特别醒目:天才的物理学家。


惊艳的物理少年


跟故事里的很多天才一样,张首晟有着惊艳的少年时光。


他1963年出生于上海,早在童年的时候,张首晟就深受启发。小学期间正值“文化大革命”,那时候科学类书籍很少,所以家里阁楼里能找到的任何书籍他都会看。那里所有的书本都是叔叔们留下的,他们研究的是人文科学。所以,尽管他父亲是工程专业的,但是他早期的童年教育主要是关于人文科学的。即便后来,他也仍然非常喜欢这些学科。


15岁时恰逢高考恢复,他爸拿一套数理化丛书,让他自学。张就这样读了一个暑假,本想试一下,结果就考上了——复旦物理系。


求学之路对于张来说,如同是一部快进的电影:


16岁,在复旦读了一年,他被国家选中,公派留学;


1980年,他赴德国柏林自由大学留学,当时他有五年的奖学金,却只花了三年就完成了物理学位;


20岁,取得了德国硕士。一次在德国大学城哥廷根参观科学家墓地时,墓碑上都刻着的公式吸引了他的注意。这些简单的公式总结了科学家们辉煌的人生,这让他感觉到什么叫做世界因你而美丽;


接着,他赴美国纽约州立大学石溪分校深造,到杨振宁的门下攻读物理学博士,24岁那年获博士学位;


32岁,他成了斯坦福大学正教授,是这所顶级学府最年轻的终身教授之一。


年轻的张首晟丨斯坦福大学官网


找到拓扑绝缘体


但这还只是开始;十几年之后,他将做出自己学术生涯中最重要的发现:找到拓扑绝缘体。


也许有人还记得2010年《生活大爆炸》里谢尔顿为了炫耀学识而提到过“拓扑绝缘体”。片中一带而过的名词,在物理学属于一个重要领域:如何使用拓扑学的数学工具来理解特殊场景下的物理世界。这个领域最初的开创者戴维·索利斯等人获得了2016年的诺贝尔物理学奖,众多物理学家认为张首晟虽是后来者,但做出的贡献也足以得奖。


“你们谁熟悉拓扑绝缘体?”丨《生活大爆炸》截图


拓扑学是一个数学分支,它研究的是“不连续”的特征。一个物体身上,大部分我们熟悉的特征都是连续的:一个长方形可以变大一点点,变小一点点,粗一点点,细一点点。拓扑学不关心这些。但是如果我在长方形上挖洞,那么它要么没有洞,要么有1个、2个、3个……不会有4.5个洞或者1.414个洞。这样的特征就是拓扑学关注的。


当然现代物理学关注的不是一个东西上有几个洞,而是远为抽象的特征,但这些特征同样不连续。张首晟在研究这些特征的时候,成功创造出了 “拓扑绝缘体”。


设想一个有很多电子的大块低温薄膜,给它加上一个强磁场,它就会表现出一个奇妙的特点:只在薄膜的边缘导电,但薄膜的中央不会导电。如果你拉伸这个薄膜,那么产生的新边缘也会导电,中央依然不导电;就算你往边缘里添加了本来足以阻断电流的杂质,结果依然是边缘继续导电。


出现这个现象的根本原因,就在于边缘被“拓扑保护”起来了;就像长方形上有几个洞不会随意改变一样,薄膜边缘的电学特征也不会随便改变。这个现象是量子霍尔效应的体现,很早就为人所知,只是在不太久之前才得到了拓扑的解释。


但这个效应需要外加一个大磁场才能实现,这太麻烦了,而且在很多场合非常不切实际,无法应用。不用磁场能不能有这么厉害的特征?


也有,那就是理论预言的所谓“量子自旋霍尔效应”——用电子自己的自旋轨道耦合,来代替磁场的效果。而张首晟预言可以在HgTe量子阱实现这一点,并和德国团队合作真的把它造了出来。他们得到的物质,无需外界作用自己就可实现拓扑保护效果,只在边缘导电,内部则是绝缘体。这样的物质,就是所谓的“拓扑绝缘体”。


拓扑绝缘体示意图,中心一层为HgTe,上下两层为绝缘物质丨斯坦福大学官网


这个发现在理论和应用里都有很重要的意义,不仅创造出了一种全新的物态,为后续的众多研究制造了新工具,而且它的独特属性也让它有望在量子计算等领域大展身手。《科学》杂志把这项工作评为2007年的“全球十大重要科学突破”之一 ;这些成就也让张首晟赢得了几乎所有物理学界的荣誉:欧洲物理奖、巴克莱奖、狄拉克奖、尤里基础物理学,富兰克林奖等等。


2017年,张首晟还和众多合作者一起做出了另一个重要发现:观测到了“马约拉纳边界模”,它具有自己的反面还是自己的奇妙属性。被命名为“天使粒子”的它并非一个真正的基本粒子,只是一群电子表现出了特殊特征,但依然部分验证了早年关于马约拉纳费米子的理论预言,也对量子计算有重大启示。这一发现引发了学界的激烈讨论和继续跟进,《自然》杂志几个月前才同时刊发了两篇文章,报道两个小组在这个领域的最新进展。


没等到的诺贝尔奖


杨振宁曾经说,“他获得诺贝尔奖只是时间问题。”然而,张首晟却没有等到那一天。2018年12月1日,著名物理学家张首晟突然去世。南华早报公布了其家人的邮件片段,称他是在“与抑郁症斗争后……意外离世”。


我们不知道最后的时间中,张思考了什么,又做了怎样的抉择。由人类巨大未知组成的夜空中,这颗流星,耀眼地划过。


张首晟说起过,他将他的发现叫做“天使粒子”的原因:“根据以往的认知,我们似乎生活在一个充满正反对立的世界。有正数必有负数,有阴必有阳,有善必有恶,有天使必有恶魔。”观测到马约拉纳费米子准粒子,就像是瞥见了另一个世界的影子,在那里魔鬼并不存在,天使的反面依然是天使。


可惜那不是我们的世界。


张教授12月1日离世,12月6日消息公开,很快网上充满了各种明显不符合事实的阴谋论。


张首晟教授获得的“欧洲物理奖”是在2010年,奖励的是纯粹的基础物理成果。他的成就长期而言有可能在量子计算或芯片领域得到应用,但短期内并不可能,他也没有投身于此。


张首晟并未转行AI研究,没有证据表明他曾遭AI成果的打击。今年7月发表的一篇论文里有他的名字,论文使用了机器学习的工具,但只是标准的工具应用而已,并无特别出人意料的结果。


他的去世对物理学界和家人朋友已经是沉重打击,请不要用谣言制造二次伤害了。


本文来自微信公众号:果壳(ID:Guokr42),作者:圆的方块,Cloud,EON,Ent。

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