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美籍科學家張首晟獲國家領導人頒獎 對中國貢獻多大

http://finance.sina.com   2018年01月09日 02:06   北京新浪網

  來源:觀察者網

  2017年度國家科學技術獎勵大會在人民大會堂舉行,除了王澤山和侯雲德獲得分量最重的最高科學技術奬之外,還有7名外籍科學家獲得中華人民共和國國際科學技術合作奬,其中有四位是美籍科學家,包括兩名華裔,還有一位是瑞典籍華裔。

  這些外籍科學家中,名氣最大的當屬美籍物理學家張首晟了。

  據介紹,張首晟由中國駐舊金山領事館推薦,理由是他積極參與和中國科研院所的合作,直接促成中國在量子反常霍爾效應、拓撲絶緣體以及新近的外爾半金屬等領域的國際領先地位。

  2017年7月,張首晟團隊發現“馬約拉納費米子”的新聞一度在國內刷屏,盡管確切地说,他發現的只能算是“馬約拉納準費米子”,但包括楊振寧和湯森路透在內的權威聲音都認為,張首晟已經成為諾貝爾物理學奬的大熱門。

  但是張首晟對於中國的科研工作又做了哪些貢獻,可能還不太被外界熟悉。

  直接助力中國首個諾奬級成果

  早在2008年,張首晟就已經入選“千人計劃”,受聘於清華大學高等研究院。按照規定,“千人計劃”學者每年至少有6個月的時間要留在國內。

  而在清華期間,張首晟直接對薛其坤團隊發現量子反常霍爾效應做出了重要貢獻。

  2013年,薛其坤領銜、清華大學物理系和中科院物理所聯合組成的實驗團隊,首次在實驗上發現量子反常霍爾效應,被楊振寧評價為“第一次從中國實驗室裏發表的諾貝爾獎級的物理學論文”。

  而薛其坤正是在和張首晟的直接合作中取得最終成果的。

  據清華大學官網介紹,拓撲絶緣體這個凝聚態物理中的新領域是由斯坦福大學的張首晟教授與來自美國和德國的另外兩位科學家共同開創的。

  張首晟和薛其坤之間的深厚友誼和密切交流使他們意識到,這是一個非常值得深入探究的領域。從那時起,他們就展開了對拓撲絶緣體中新奇量子效應的實驗研究。

  2006年,張首晟和他的學生們成功地預言了第一個拓撲絶緣體。2008年,張首晟和清華大學高等研究院博士生祁曉亮提出,當時間反演對稱性被磁性 破壞后,會出現奇妙的量子反常霍爾效應,從此,磁性拓撲絶緣體便成為實現量子反常霍爾效應的理想系統。2008年,清華大學博士生劉朝星和祁曉亮在張首晟 及中科院物理所研究員方忠和戴希的大力支持下,提出了二維磁性拓撲絶緣體實現量子反常霍爾效應的基本機理。自旋能帶的反帶原理深刻影響了量子反常霍爾效應 的理論研究。2009年,張首晟和他的博士生們提出了Bi2Se3,Bi2Te3,Sb2Te3摻入3d磁性元素,實現磁性拓撲絶緣體的方案,並做了具體 的解析計算。該文章發表在《自然》雜誌物理分刊上。五個月后,張首晟又與中科院物理所方忠、戴希開展了緊密合作,通過第一性原理的數值計算,認證了該系統 乃是磁性拓撲絶緣體,是實現量子反常霍爾效應的理想材料。

  可以说, 薛其坤團隊的成果基本上就是用高難度的實驗室手段,實現了張首晟的理論預言。

  “這項成果是我們團隊精誠合作、聯合攻關的共同成果,是中國科學家的集體榮譽。”薛其坤、張首晟、方忠等都着重強調這一點。

  發現“天使粒子”,中國貢獻也很大

  而且,清華大學對於量子反常霍爾效應的研究,也直接幫助張首晟團隊發現“馬約拉納費米子”。

  馬約拉納費米子論文的第一作者,加州大學洛杉磯分校(UCLA)的何慶林是這樣解釋這次研究的:

  本次研究是利用了反常量子霍爾絶緣體(quantum anomalous Hall insulator)與超導體(superconductor)的耦合機制而形成一種新的拓撲量子態,稱為拓撲超導體(topological superconductor)。UCLA團隊利用分子束外延技術,製備了只有6納米厚的反常量子霍爾絶緣體薄膜,然后在表層沉積超導體后將樣品冷卻至接 近絶對零度,通過外加電場和磁場的調控,測試樣品的量子電導,來證明了具有馬約拉納費米子激發的輸運態,並且世界上首次實現其粒子的量子化,因此此工作是 世界上首次實驗證明這種粒子存在的最有力的證據。

  而張首晟和薛其坤等人的這一系列研究,為拓撲量子計算機的實現奠定了基礎。

  何慶林说:

  “我們已經成功探測到這種粒子;

  下一步我們將製備齣電子晶片,實現基於這一粒子為基礎的拓撲量子計算機電腦晶片。”

  海外華人科學家的意義

  或許,很多人至今仍然對張首晟這樣的頂級人才加入美國籍而耿耿於懷,但是回顧一下他的人生經歷就會發現,这只是特定年代下的唯一選擇。

  張首晟在1978年,以15歲的年齡就考入復旦大學物理系,一年多后又因為成績優異,被送往西德留學。

  在柏林自由大學學習的時候,張首晟把大統一理論當成了自己的學術目標。后來在楊振寧的建議下,在美國專注於凝聚態物理研究。

  那時候,即使在美國,凝聚態物理也是一個新興學科,若是換到任何一個別的國家,恐怕張首晟既沒有經費,也沒有環境做出如今的成果了。

  而以2008年的“千人計劃”為代表,這些海外華人精英正回過頭來給祖國做出巨大的回饋。

  發現馬約拉納費米子的論文由加利福尼亞大學洛杉磯分校王康隆課題組和美國斯坦福大學教授張首晟課題組、上海科技大學寇煦豐課題組等多個團隊共同完成,通訊作者為何慶林、寇煦豐、張首晟、王康隆,均為華人科學家。

“青年千人”科學家寇煦豐“青年千人”科學家寇煦豐

  其中,寇煦豐為王康隆的學生,2009年至2015年UCLA獲得博士學位,2016年回國加入上海科技大學。可以預見,隨着中國高校在基礎科學領域的投入加大,這樣的中外合作研究會越來越多,中國的海外留學生們也會越來越傾向於將自己學到的本領,帶回自己的祖國。

  中國能在像拓撲量子計算機這樣的前沿學科佔據國際領先地位,更是離不開這種全球化的人才培養機制。

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