聊聊张首晟与量子自旋霍尔效应

刘萝卜锅

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这是阿什卡微信公众号的第590篇原创文章

首发于2018年12月7日

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2018年12月1日，美国华裔物理学家张首晟教授去世，他对“量子自旋霍尔效应”中的开创性研究，也随之万众瞩目。

了解量子自旋霍尔效应，先要了解什么是量子，什么是自旋，什么是霍尔效应。

什么是量子

118年前，人类认为世界是“连续”的。比如：

你从A走到B，不管距离多短，不管是凌波微步还是广场舞步，你都不可能从A点“直接”穿越到B点，你必须“经过”路线上的无数个点。

你烧热水泡枸杞，能量传递也是连续的，水温从20℃升到100℃，一定经历了20.5℃、25.0250250250250℃……总之经历了在20——100之间的任何一个数字。

然而，1900年，德国物理学家普朗克发现，能量传递不是连续的，而是“一份一份”的，普朗克管它叫“量份”，也就是“无法分割的最小单位”。能量传递，只能是最小单位的整倍数。就好比你去买黄瓜，哪怕单价精确到2块2毛2分，那也是1分钱的222倍，整数，你绝花不出去1分钱的2.5倍、0.3倍，因为菜市场没这个计量单位。能量传递市场也一样。你不信很正常，因为普朗克自己也不信。

但爱因斯坦信了，1905年，他用“光量子”的概念完美解释了光电效应，证明这些玩意确实是一份一份的。

1912年，丹麦物理学家玻尔发现，电子绕着原子核飞，是等级森严的：按照能量高低，在固定楼层上飞。谁搞到高能量，谁就升到高楼层，但诡异的是，电子是“直接”去的，不必“路过”两个楼层之间的任何一点：可以从1楼消失，直接出现在6楼。这叫“电子跃迁”。对电子而言，空间也是“量子化”的。

OK，我们大概了解：一个物理量，如果存在最小的、不可分割的基本单位，这个最小单位就叫量子。它所导致的不连续等诡异现象，就是“量子化”现象。

什么是自旋

1923年，奥地利物理学家泡利想读懂电子，他摆弄电子的3个量子数：主量子数、角量子数、磁量子数，分别代表电子轨道的大小、形状、方向。但泡利发现，必须找到第4个量子数，否则电子的故事不完整。而且，这个量必定只有两个值，简单粗暴。

1925年，荷兰物理学家乌仑贝克、古兹密特提出了第4个量子数：自旋。

咱俩不能简单地理解为地球那种“自转”。因为地球自转的值有无数个：通州正对太阳、朝阳区正对太阳、东城区正对太阳、西城区正对太阳…

而电子自旋只有两个：中国正对太阳（左旋）、美国正对太阳（右旋）。没有中间商赚差价。聪明的你秒懂：这个自旋，是量子化的。

如果把前3个量子数理解为人的体重、体型、性格，那么，自旋就是性别：男or女。非常基本，也就是非常重要。

什么是霍尔效应

啥叫“力”？就是事物之间的“相互作用”。电荷走进磁场，也会和磁场互撩互动。磁场对运动电荷的作用力，叫“洛伦兹力”。

电子成群结队朝一个方向散步，就是电流。电流垂直切进磁场，就会受到洛伦兹力，后果很严重：在电流、磁场共同的垂直方向，会产生一个电压。也就是说：这个附加电压，会改变电流方向。

如果你被3个“方向”、“垂直”搞糊涂了，想想三维空间坐标就明白了，电流、磁场、新电压的方向，分别是xyz三个坐标轴的方向，它们相互垂直。

这个效应，是美国物理学家霍尔1879年发现的，所以叫“霍尔效应”。

电子自旋可以拿磁场、电场来操纵，控制电子行为。电子极化率越高，越容易受电场、磁场操控，这就需要磁性半导体、半金属之类的新材料。这门学问叫“自旋输运电子学”，简称“自旋电子学”。

理解了上述概念，我们就可以试着理解：

什么是量子自旋霍尔效应

1988年，美国物理学家霍尔丹发现“量子反常霍尔效应”。大约过了10年，他又发现自旋霍尔效应，但是在计算中遇到问题，没有量子化。

电子自旋可以影响电流，而自旋是量子化的，所以电流受到的影响也可以是量子化的，比如电流方向等。

科学家们兴奋地设想，实现量子自旋霍尔态，自旋电子学就更牛了。

然而问题是：怎样实现量子自旋霍尔态？

2005年，宾州大学的凯恩教授采用霍尔丹的模型，在理论上设想了量子自旋霍尔态，并认为，它可能在单层石墨烯这种二维结构中实现。

二维结构导体，很玄幻的样子，但实现它并不太难。比方说某种绝缘体，内部绝缘，但表面电子可以流动。这就是拓扑绝缘体。

2006年，张首晟团队提出，碲化汞、碲化镉超晶格结构，可以搞成限制量子行为的特殊结构——量子阱体系，它存在一种“能带反转”，也就是，其边缘可以是电流传输能带，从而实现“量子自旋霍尔效应”。

2007年，德国维尔茨堡大学用碲化汞材料做实验证实：张首晟说的对呀！

该成果被《科学》评为2007年“全球十大重要科学突破”之一。

这当然实至名归，张教授的老师、当代最伟大的物理学家杨振宁说，张首晟获诺奖只是早晚的事。实际上，张首晟已经包揽了当今最重要的物理学奖，只等诺奖入手。

刘萝卜锅

一些媒体宣传，宇宙第一网红的未来就靠张首晟了，该网红就叫：芯片。

那么，事实果真如此吗？答案是：有关，但重要性没那么夸张。

先说“有关”。

前面说了，电子组团朝一个方向散步，叫电流。但实际上，它们的方向并没有那么一致，道路是坎坷的，路线是曲折的，磕磕碰碰，相互作用，耗散能量，引起的重要现象就是发热。人类管这叫电阻。

如果能捋齐电子散步方向，不仅节能环保，还可以解决电流发热问题。如果你享受过电脑、手机过热宕机待遇，就会明白：捋齐电子方向，对芯片发展自然是极好的。

那么，这样好的方法哪里找得到呢？其实人类早就找到了，这就是著名的“超导”。

但目前，超导只有在极低温下才能实现。而制造极低温的成本，超过了消除电阻所获得的效益。

而用了我们“量子自旋霍尔效应”原理呢，只要使用特殊材料，构建二维导体，就可以强化电子自旋轨道耦合。于是，电子自旋就会变得很有规律，而电子自旋可以影响电流方向，这样，也就捋齐了电流散步方向。

而且，我们知道自旋是量子化的，只有两个相反的方向，所以电流方向也就无比明朗了。

并且，普通电流是“电荷电流”。而量子自旋霍尔态就不同了：

在二维构架中，这边走左旋电流，那边就走右旋电流，一左一右，总电荷电流互抵，似乎啥也没发生，能耗极低。但两边的自旋发生的变化，却是实实在在的，传输信息没问题。这叫“自旋电流”。

所以，我们知道，这个效应，为低功耗电路、新型的信息处理提供了一个可能性。它当然也可以用在芯片上。

十年前，张教授就表示，希望在“通常的半导体硅材料上”实现这一效应，应用于芯片产业。但是，直到如今仍未实现。

为啥呢？这就涉及到“重要性”了。

问题很简单：理论可行，但尚未应用，原因就是一大堆技术、工程问题没解决，比如材料、设计等等。而这些，并非张首晟的专业。

“质量可以转换成能量”是爱因斯坦发现的，但落实到核能发电，就不是“非爱因斯坦不可”了。

事实也确实如此，没有爱因斯坦参与，后来的核能开发应用也没耽误。

不是说爱因斯坦不重要，而是他对核能的贡献早已完成。张首晟对于芯片也是如此。

所以，围绕张首晟、芯片而构想出的种种阴谋论，可以歇歇了。愿逝者安息。

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