拓扑绝缘体: 芯片散热的“革命”

近期，我国基础科学研究在中微子振荡、铁基超导、拓扑绝缘体等前沿领域取得的世界领先科学成果备受关注。其中，由美国华裔科学家、斯坦福大学物理系教授、清华大学“千人计划”特聘教授张首晟领衔的拓扑绝缘体领域研究团队，由于成功理论预言并实验证实发现拓扑绝缘体材料——这一能够有效解决计算机芯片散热问题的方法，成为突破当今全球IT业发展瓶颈的福音。　

拓扑绝缘体材料还是性能优良的热电材料，在新能源领域应用前景十分广阔。“拓扑绝缘体材料的成功发现，保守估计，可以成功延长高新技术产业中的摩尔定律10年以上。”张首晟教授接受记者采访时自信地表示。　

众所周知，由于无法解决电子芯片不断变小带来的热冷却问题，IT行业已经无法按照摩尔定律所指出的，继续延续长达几十年的高速发展，正在遭遇前所未有的重大关卡。公众从全球最大的半导体芯片制造商英特尔公司的广告宣传词中，就可以直观感受到这一领域的变化：前期的广告词专门突出了计算机芯片每秒钟的运算速度。IT行业高速发展时期，芯片的运算速度按照摩尔定律，一直呈现快速增长态势。但在二三年前，其广告词已经悄然从运算速度转向多核性能的宣传，单核芯片的热冷却问题日益凸显。　

危机中孕育着机遇，对于科学发现来说，IT业的技术发展瓶颈无疑为科学发展提供了一个绝佳的创新机会。如果我国科学工作者能够实现科学突破，率先找到新材料，就能趁IT业重新洗牌之时，实现真正的超越，一举走在世界的最前沿。　

正是敏锐抓住了这一历史机遇，通过前瞻性的战略眼光和不懈努力，张首晟教授运用芯片中信息高速公路的灵感，于2006年成功预言出位于化学元素周期表右下端的拓扑绝缘体材料，引发了聚态物理乃至整个物理学领域最前沿的研究方向。“拓扑绝缘体”和“新型高温超导材料探索和高温超导机理研究”已成为目前物理学领域最具挑战性的研究方向，深受新兴产业领域关注。　

提及原始创意，张首晟微笑表示：“由于芯片工作时，电子和杂质间的相互碰撞是产生功耗的主要原因，那么，如果我们能够利用高速公路的工作原理，把相反的电子运动分割开来，令每个电子各行其道，互不干扰，就会减少电子碰撞的概率，保持运行过程的通顺。”在微观世界里，量子霍尔效应恰好可以使电子拥有这样的运行方式，能够把向前和向后走的两种运动方式在空间上分开，即向前走的在系统上层，而向后走的在系统下层。张首晟具有前瞻性地利用量子自旋霍尔效应，在不需磁场的情况下，运用电子的自旋性质，成功发现了性能神奇的拓扑绝缘体。　

张首晟解释说：“拓扑绝缘体简单来讲，就是它的内部是绝缘的，表面是导电的。而且这一非常奇妙的现象是自己产生的，不需要外界任何条件。如果跟外面大气反应之后，即使上面一层消失，下面还会有导电层，从某种程度上说是永不消失的‘镀金’。所以，拓扑绝缘体在信息产业中将会得到非常重要的应用，它正在从科学转变为技术。”如今，英特尔、微软等许多信息产业顶尖公司，都已经和张教授建立了拓扑绝缘体领域的研究，这已经成为延长摩尔定律适用时间，实现IT业瓶颈突破的亮点所在。　

清华大学在不久前成立了量子科学与技术研究中心，并与新奥集团签订长期合作协议。　

“作为能源企业，我们非常关注拓扑绝缘体领域研究在热电领域的应用前景，愿意同清华合作，共同深入探索高性能热电材料方面的应用，力争尽快把我国的技术优势转变为产业、经济优势。”新奥集团董事局主席王玉锁对拓扑绝缘体领域的研究充满期待。　

业内人士认为，通过产学研用各领域的共同合作，我国在IT和新能源领域的革命性发展应可期待。

科学发展 始于“心”

信息的爆炸、通讯的快捷、生活的日趋智能……今天，我们正享受着由科学进步所带来的空前技术成果。科学发展和技术创新一定会引发第三次工业革命，极大提高和改善人们的生活质量，也时刻提醒着我们，科技是经济社会发展的不竭动力。而科学发展的原动力何来？回顾人类文明发展史，诺贝尔物理学奖获得者、实验物理学家丁肇中更为精辟地指出：“不出自于经济利益的好奇心，才是人类科学研究的原始动力。”

以本世纪的重大科学发现为例，30年来，我国科学家一直与国际合作，利用加速器技术寻找宇宙中的最基本粒子。这些投入了大量人力物力的基础科学研究工作，其初衷并不是出于功利性考虑，仅是受人类对自然界和宇宙的认识本能——好奇心的驱使，从而引发全球科学家乐此不疲地全力探索发现。天道酬勤，受益于探索未知的好奇心驱动。不久前，我国取得了震惊世界的顶级科学研究成果——首次发现中微子第三种振荡模式。与目的性极强的技术改进相比，这一重要科学发现虽不能立即带来经济、产业上的回报，却拓展了人类对宇宙、对世界构成的认识程度，搭建起科技进步的坚实基础。

可见，科学发现的关键是要有“好奇心”，产生第一流的思考、创意，才能真正走到科学发现的最前沿，并直接促动技术成果创新。那么，创新的灵感到底何在？除去伴随人们年龄增长所产生的知识增长，“青出于蓝”，年轻人的本真好奇心、活跃思维和多元创意同样是引发科学灵感的源头所在。因此，如果能够及早培养保护青年一代的科学探索好奇心，使其长期保持旺盛的创新火花，相信在第三次工业革命浪潮的洗礼中，我们会看到更为汹涌澎湃的创新浪花。