為什麼說張首晟是這一代華人物理學家中，離諾獎最近的一位？

2018年12月1日，物理學家張首晟去世了。楊振寧曾說，「他獲得諾貝爾獎只是時間問題。」

張首晟教授 | 斯坦福大學官網

在1978年剛剛恢復高考的時候，張首晟老師以15歲的年齡考入了復旦大學物理系，可謂少年天才。在復旦大學學習兩年之後，就被選派到德國留學，1983年從柏林自由大學畢業後，到了美國紐約石溪大學的「楊振寧理論物理研究所」攻讀博士學位。所以張首晟出國很早，沒有參加後來李政道先生髮起的CUSPEA項目。儘管張首晟博士期間名義上的導師是荷蘭人Peter van Nieuwenhuizen，但他是嚮往著楊振寧而去的紐約並且多次接受過他的指導，所以楊振寧先生一直把張首晟當成自己的學生，而且是自己的學生中最出色的，沒有之一。

張首晟於1987年拿到博士學位，之後的學術生涯一帆風順，在加州大學聖芭芭拉分校理論物理研究所和IBM研究中心做了兩期博士後以後，1993年成為斯坦福大學的助理教授，2004年正式稱為斯坦福大學終身正教授。這期間他最著名的成果是高溫超導的SO(5)對稱性理論。

斯坦福大學外景 | King of Hearts / Wikimedia Commons

張首晟老師的研究領域是理論凝聚態物理。凝聚態物理學是現代物理學最大的分支，佔了物理從業人數的半壁江山（在中國甚至是大半壁江山）。凝聚態物理學以量子力學為基本原理，研究固體、液體等由原子緊密聚集而成的狀態（稱為「相」），以及狀態之間的相變，其核心內容是研究電子在各種由原子組成的周期勢阱（晶格）中產生的量子效應。

凝聚態物理學在20世紀下半葉蓬勃發展，產生了4大熱點，分別是半導體、超流、高溫超導（銅基超導）、量子霍爾效應（包括整數的和分數的），其中半導體的研究導致了晶體管和集成電路的發明，為我們帶來了電子計算機並催生了人類第三次科技革命（即信息革命）。到了21世紀，凝聚態物理學又產生了兩大熱點，一個是鐵基超導，另一個是拓撲絕緣體，而張首晟領導的團隊就是理論預言出拓撲絕緣體和其量子自旋霍爾效應的兩個小組之一，並且和德國的實驗團隊合作第一次觀察到了這個效應[1]。

拓撲絕緣體中的「拓撲」，指的是電子能帶的波函數在動量空間的拓撲性質，當這個拓撲性質處於一個特殊狀態時，能夠讓一個絕緣體的邊界出現導電狀態，並且可以產生量子自旋霍爾效應。所以拓撲絕緣體和量子自旋霍爾效應其實是一個大成果，也是張首晟最重要學術成果。也正是因為這個成果，張首晟成為了這一代華人物理學家中離諾貝爾獎最近的一位。當然由於Charles Kane和Eugene Mele做出這方面的理論預言要更早一年[2]，張首晟的順位排在了二人之後[3]。因為這項工作，張首晟、Kane和Mele一起幾乎拿遍了除諾貝爾物理學獎之外的各種理論物理獎。

2015年，張首晟與Kane、Mele一起獲得本傑明·富蘭克林獎章 | The Franklin Institute

「天使粒子」是張首晟團隊的另一個發現，但只能屈居第二，因為它是建立在發現拓撲絕緣體的基礎上的。所謂天使粒子並不是簡單地指Majorana費米子，而是特指手征性的Majorana費米子，是一種只有在凝聚態體系中才能演生出來的准粒子（手征性由粒子的自旋決定，比如電子自旋有兩個分量，一個左旋，一個右旋，左和右就是手征性）。Majorana費米子的定義是其反粒子就是自身的費米子，基本粒子中只有中微子有可能是Majorana費米子。但是在拓撲絕緣體和超導體接觸的表面，電子的運動模式可以演生出一種只有一半自由度的Majorana費米子准粒子，即它的手征性只有右手，沒有左手，就像天使和魔鬼的對立中只有天使，沒有魔鬼，這就是天使粒子一詞的由來。張首晟團隊做出了一系列理論預言[4]並和實驗團隊合作第一次確認了其存在[5]。

當然，無論是拓撲絕緣體還是天使粒子，都還在原理研究階段，離器件和應用層面還相去甚遠，所以張首晟老師的科研工作和晶元是不沾邊的。不過身在矽谷的發源地斯坦福大學，創業氛圍得天獨厚，張首晟老師名下的丹華資本致力於將矽谷模式引進中國，為中國的高新技術做貢獻。

作者：九維空間

參考文獻：

[1]Markus K?nig, Steffen Wiedmann, Christoph Brüne, Andreas Roth, Hartmut Buhmann, Laurens W. Molenkamp, Xiao-Liang Qi, Shou-Cheng Zhang, 「Quantum Spin Hall Insulator State in HgTe Quantum Wells」. Science 318, 766–770 (2007)

[2] C. L. Kane and E. J. Mele, "Quantum Spin Hall Effect in Graphene". Physical Review Letters. 95 (22). p. 226081 (2005).

[3]B. Andrei Bernevig and Shou-Cheng Zhang, 「Quantum Spin Hall Effect". Physical Review Letters. 96 (10). p. 106802 (2006).

[4] X. L. Qi, T. L. Hughes, S. Raghu, S. C. Zhang, 「Time-reversal-invariant topological superconductors and superfluids in two and three dimensions」. Physical Review Letters. 102, 187001 (2009); X.-L. Qi, T. L. Hughes, S.-C. Zhang, Chiral topological superconductor from the quantum Hall state. Phys. Rev. B 82, 184516 (2010); S. B. Chung, X.-L. Qi, J. Maciejko, S.-C. Zhang, Conductance and noise signatures of Majorana backscattering. Phys. Rev. B 83, 100512 (2011); J. Wang, Q. Zhou, B. Lian, S.-C. Zhang, Chiral topological superconductor and half-integer conductance plateau from quantum anomalous Hall plateau transition. Phys. Rev. B 92, 064520 (2015).

[5]Qing Lin He, Lei Pan, Alexander L. Stern, Edward C. Burks, Xiaoyu Che, Gen Yin, Jing Wang, Biao Lian, Quan Zhou, Eun Sang Choi, Koichi Murata, Xufeng Kou, Zhijie Chen, Tianxiao Nie, Qiming Shao, Yabin Fan, Shou-Cheng Zhang, Kai Liu, Jing Xia, Kang L. Wang. "Chiral Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall insulator–superconductor structure", Science 357, pp. 294-299 (2017).

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