緬懷 張首晟教授過往重要科研成果梳理

【個人基本簡介】

張首晟院士 (1963—2018/12/1), 漢族，出生于上海，祖籍江蘇高郵，美國華裔科學家。斯坦福大學物理系、電子工程系和應用物理系終身教授。2007年，他發現的"量子自旋霍爾效應"被《科學》雜志評為當年的"全球十大重要科學突破"之一。基于他對拓撲絕緣體和量子自旋霍爾效應的開創性研究，張首晟已包攬物理學界所有的重量級獎項，包括歐洲物理獎、美國物理學會巴克萊獎、國際理論物理學中心狄拉克獎、尤里基礎物理學獎和富蘭克林獎章。2009年，成功入選 "千人計劃"，并被清華大學特聘為教授，開始為祖國效力。2013年被評為中國科學院外籍院士。2017年7月21日，美國加州大學洛杉磯分校華裔科學家王康隆、斯坦福大學華裔科學家張首晟、上海科技大學教授寇煦豐等團隊合作在《科學》雜志上發表了一項重大發現:在整個物理學界歷經80年的探索之后，他們終于發現了手性馬約拉納費米子的存在，張首晟將其命名為"天使粒子"。

但是，令世界科學界和信息產業界很不幸的消息，在2018年12月1日，美國華裔物理學家，張首晟教授去世，終年55歲。

自2006年以來，學術論文被引用次數的統計表：

自2006年以來，已發表的優質學術論文（被引次數大于10）統計表：

【部分成果簡介】

首先，我們需要簡單了解一下“量子自旋霍爾效應”，即找到電子自旋方向與電流方向之間的規律，并利用這個規律可以使電子以新的姿勢非常有序地“舞蹈”，從而使能量耗散很低。在特定的量子阱中，在無外磁場的條件下(即保持時間反演對稱性的條件下)，特定材料制成的絕緣體的表面會產生特殊的邊緣態，使得該絕緣體的邊緣可以導電，并且這種邊緣態電流的方向與電子的自旋方向完全相關，即量子自旋霍爾效應。

1、Quantum Spin Hall Effect （量子自旋霍爾效應）

在2006年，張首晟研究團隊首次在Phys. Rev. Lett.報道了關于量子自旋霍爾效應的理論猜想。因為量子霍爾液體是具有諸如分數電荷和統計學等性質的一種新的物質狀態，而量子霍爾效應的存在是需要破壞由外部磁場引起的時間反轉對稱性。在這項工作中，他們預測在沒有任何磁場的情況下量子化自旋霍爾效應，其中本征自旋霍爾電導以2^e/4π為單位量子化。在存在應變梯度的情況下，通過常規半導體中的自旋軌道耦合產生簡并量子朗道能級。這種新的物質狀態具有拓撲場理論描述的許多深刻的相關性質。

參考文獻：Phys. Rev. Lett., 2006, 96, 106802.

DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.96.106802

2、Quantum Spin Hall Effect and Topological Phase Transition in HgTe Quantum Wells? (HgTe量子阱中的量子自旋霍爾效應和拓撲相變)

在文中，張首晟研究團隊證明了量子自旋霍爾（QSH）效應，是一種具有不同于傳統絕緣體的拓撲性質的物質狀態，可以在碲化汞—碲化鎘半導體量子阱中實現。當量子阱的厚度變化時，電子狀態在臨界厚度d_c處從正常變為“反轉”類型。表明這種轉變是傳統絕緣相和具有單一螺旋邊緣狀態的QSH效應相的拓撲量子相變。他們還討論了QSH效應的實驗檢測方法。

參考文獻：Science, 2006, 314, 1757-1761. DOI: 10.1126/science.1133734

3、Quantum Spin Hall Insulator State in HgTe Quantum Wells (HgTe量子阱中的量子自旋霍爾絕緣體狀態)

量子自旋霍爾效應的理論預測，是一種存在于零外部磁場的基本上新的物質量子態，在HgTe / (Hg, Cd) Te量子阱中被觀測到。通過制造具有低密度和高遷移率的這種樣品結構，其中通過外部柵極電壓將載流子傳導從n型調諧到p型的絕緣狀態。對于阱寬d < 6.3 nm的薄量子阱絕緣體系顯示出在低溫下消失的小電導的常規行為。然而，對于較厚的量子阱（d > 6.3 nm）的標稱絕緣狀態顯示接近2e²/h的殘余電導，其中e是電子電荷，h是普朗克常數。而殘余電導與樣品寬度無關，即它是由邊緣狀態引起的。此外，殘留的電導被小的外部磁場破壞。臨界厚度d = 6.3 nm的量子相變也是由磁場引起的絕緣體到金屬轉變獨立地確定的。這些觀察結果證實了量子自旋霍爾效應的存在。

參考文獻：Science, 2007, 318, 766-770. DOI: 10.1126/science.1148047

4、Nonlocal Transport in the Quantum Spin Hall State (量子自旋腔狀態下的非局部傳輸)

通過邊緣信道的非本地傳輸對于低功率信息處理是有很大的希望。 然而，目前僅在高磁場的量子霍爾體系中證明了邊緣通道。研究發現量子自旋霍爾區中的碲化汞量子阱在零外部磁場下也表現出非局部邊緣通道傳輸。實驗數據證實通過（螺旋）邊緣通道的量子傳輸是無耗散的，并且接觸導致邊緣處的反向傳播自旋狀態之間的平衡。實驗數據與量子自旋霍爾效應理論定量相吻合。邊緣通道傳輸為新一代自旋電子設備的低功耗信息處理鋪平了道路。

參考文獻：Science, 2009, 325, 294-297. DOI: 10.1126/science.1174736

5、Experimental Realization of a Three-Dimensional Topological Insulator, Bi₂Te₃ (實驗實現一種具有三維拓撲的絕緣體Bi₂Te₃)

三維拓撲絕緣體是量子物質的一種新狀態，因為在表面上具有體間隙和奇數個相對論的狄拉克費米子。利用角分辨光電子能譜研究Bi₂Te₃的表面狀態，證實了表面狀態由單個非簡并的狄拉克錐組成。此外，通過適當的空穴摻雜，調整費米能級使其僅與表面狀態相交，從而指示立體狀態的完全能隙。研究結果表明Bi₂Te₃是三維拓撲絕緣體的簡單模型系統，其表面上有一個狄拉克錐。Bi₂Te₃的大體積間隙也表明了高溫自旋電子應用的巨大潛力。

參考文獻：Science, 2009, 325, 178-181. DOI: 10.1126/science.1173034

6、Crossover of the three-dimensional topological insulator Bi₂Se₃ to the two-dimensional limit (三維拓撲絕緣體Bi₂Se₃的交叉到二維極限)

拓撲絕緣體是量子物質的一種新狀態，具有沿著邊界流動的體積和無間隙模式中的有限能隙的特征，其對于無序散射具有魯棒性。并且表面狀態的拓撲保護對于低功率電子器件和容錯量子計算都是很有用的。同時，對于三維拓撲絕緣體的薄板，來自相對表面的邊界模式可以通過量子隧穿耦合，從而打開小的厚度相關的間隙。作者通過角分辨光電發射光譜在分子束外延生長的各種厚度的Bi₂Se₃薄膜。當厚度低于六個五倍層時，可以清楚地看到能隙開口。由于兩個表面之間的襯底引起的電位差，有間隙的表面狀態也表現出相當大的超晶格型自旋軌道分裂。可調間隙和自旋軌道耦合使這些拓撲薄膜成為電子和自旋電子器件應用的理想選擇。

參考文獻：Nature Physics, 2010, 6, 584–588.

7、Quantized Anomalous Hall Effect in Magnetic Topological Insulators (磁拓撲絕緣子中的量子化異常霍爾效應)

異常霍爾效應是由自旋—軌道耦合產生的固體中的基本傳輸過程。在量子異常霍爾絕緣體中，自發磁矩和自旋軌道耦合結合起來產生拓撲非簡并的電子結構，導致量子化霍爾效應而沒有外部磁場。基于第一性原理計算，作者預測四方晶系半導體Bi₂Te₃、Bi₂Se₃和Sb₂Te₃在摻雜過渡金屬元素（Cr或Fe）時形成磁性有序絕緣體，而傳統的稀磁性半導體則需要自由載流子來介導磁耦合，并通過實驗得以證實。在二維薄膜中，這種磁性順序產生一種拓撲電子結構，其特征在于有限的陳數，其中霍爾電導以e² / h為單位量化（e是電子的電荷，h是普朗克常數）。

參考文獻：Science, 2010, 329, 61-64. DOI: 10.1126/science.1187485

8、Aharonov–Bohm interference in topological insulator nanoribbons (Aharonov-Bohm干擾拓撲絕緣體的納米帶)

拓撲絕緣體代表具有絕緣體間隙和無間隙邊緣或表面態的量子物質的不同時期。通過前期工作的積累，作者通過層狀單晶Bi₂Se₃的納米帶中的周期性量子干涉效應顯示拓撲表面態的明確傳輸證據，其具有比塊狀材料更大的表面—體積比，因此可以表現出表面效應。磁阻中Aharonov-Bohm振蕩清楚地證明了二維電子在納米帶表面周圍的相干傳播，正如表面狀態的拓撲性質所預期的那樣，以初級h/e振蕩為主導地位，其中h是普朗克常數，e是電子電荷。其溫度依賴性證明了這些狀態的穩定性。研究結果表明拓撲絕緣體納米帶為室溫下未來的自旋電子器件提供了有前途的材料。

參考文獻：Nature Materials, 2010, 9, 225–229.

9、Spin polarization of the quantum spin Hall edge states (量子自旋霍爾邊緣狀態的自旋極化)

通過量子自旋霍爾效應的預測和驗證實驗，標志著拓撲絕緣體的新物質狀態被發現。其中二維拓撲絕緣體表現出得量子自旋霍爾效應，就是利用其無間隙自旋極化反向傳播邊緣通道。盡管現在已經建立完善的這些邊緣通道的螺旋特征，但是實驗證實這些邊緣通道中的傳輸的自旋極化仍然很突出。因此，研究了由具有倒帶結構的HgTe量子阱制造的納米結構的實驗，其中利用分裂柵的技術可以將量子自旋霍爾和金屬自旋霍爾傳輸組合到單個器件中。在這些器件中，量子自旋霍爾效應可用作自旋電流注入器和金屬自旋霍爾效應的檢測器，反之亦然，即全自動檢測自旋極化。

參考文獻：Nature Physics, 2012, 8, 485–490.

10、Experimental Observation of the Quantum Anomalous Hall Effect in a Magnetic Topological Insulator (磁拓撲絕緣子中量子異常霍爾效應的實驗觀察)

雖然前期已經預測的異常霍爾效應的量子化發生在磁拓撲絕緣體中，但是在實驗中實現并觀察到仍舊具有挑戰性。本文中，作者研究了在摻雜鉻的(Bi, Sb)₂Te₃薄膜的磁性拓撲絕緣體中的量子異常霍爾（QAH）效應變化。在零磁場下，柵極調諧的異常霍爾電阻達到預測的量化值h/e²，伴隨著縱向電阻而顯著下降。在強磁場下，縱向電阻消失，而霍爾電阻保持在量子化值。QAH效應的實現可能導致低功耗電子器件的發展。

參考文獻：Science, 2013, 340, 167-170. DOI: 10.1126/science.1234414

11、Epitaxial growth of two-dimensional stanine (外延生長的二維的錫烯)

最近通過分子束外延生長實現了二維屈曲的Si基硅烯，而通過分子束外延和機械剝離獲得了Ge基鍺。然而，目前Sn基錫烯的合成具有挑戰性的。在文中，研究了通過分子束外延成功制造了2D 錫烯，并且結合第一原理計算，利用掃描隧道顯微鏡和角度分辨光電子能譜的原子和電子表征的到證實。錫烯及其衍生物的合成將促進其理論預測性能的進一步實驗研究，例如具有非常大帶隙的2D拓撲絕緣行為，以及支持增強的熱電性能、拓撲超導性和近室溫量子的能力霍爾效應異常。

參考文獻：Nature Materials, 2015,14, 1020–1025.

12、High-precision realization of robust quantum anomalous Hall state in a hard ferromagnetic topological insulator (硬磁鐵磁拓撲絕緣子中高強度量子異常霍爾效應的高精度實現)

量子霍爾（QH）效應的發現導致了在強磁場下沿著二維電子層的邊緣在一個方向上循環的無耗散電流的拓撲電子態的實現。量子自旋霍爾（QAH）效應與QH效應具有相似的物理現象，而其物理起源依賴于內在自旋軌道耦合和鐵磁性。在文中，研究了釩（V）摻雜（Bi, Sb）₂Te₃薄膜中QAH態的實驗觀察，實驗條件是：在T = 25 mK時，零場縱向電阻低至0.00013 ± 0.00007 h/e²（~3.35 ± 1.76 Ω），霍爾電導達到0.9998 ± 0.0006 e²/h,，霍爾角高達89.993° ± 0.004°。該系統的另一個優點是具有大矯頑場（Hc >1.0 T）和相對高的居里溫度的硬鐵磁體。在硬鐵磁拓撲絕緣體（FMTI）中實現穩定的QAH狀態，是在沒有外部場的情況下向無耗散電子應用邁出的重要一步。

參考文獻：Nature Materials, 2015,14, 473–477.

13.人工智能進行材料發現

斯坦福張首晟團隊開發的人工智能程序Atom2Vec就用幾小時重構了人類用了上百年才發現的元素周期表。Atom2Vec首先通過分析在線數據庫的化合物名稱列表，學會區分不同的原子。然后，借用自然語言處理中的簡單概念：一個詞語的特性是可以從它周圍出現的其他單詞來得出的；把化學元素根據它們所處的化學環境聚類。元素周期表已經發現了，Atom2Vec重新發現又有什么用呢？它的意義在于AI是可以獨立重復人類已經完成的一些偉大發現。進一步，如果將來AI獨立發現了人類所沒有發現的規模或者新材料，大家也不會感到奇怪。

參考文獻：https://www.pnas.org/content/115/28/E6411

【簡要總結】

張首晟院士的代表性工作主要為高溫超導的SO(5) 理論、4維量子霍爾效應、室溫無耗散自旋流等，在國際相關研究領域里有很大的影響。迄今為止，他已發表時數百篇優質的學術論文，被他人引用超過70000 多次。最重要的是，張首晟院士領導的研究團隊于2006年提出了“量子自旋霍爾效應” (Quantum Spin Hall Effect)，將其基于芯片業未來提出的新構想——通過控制電子的自旋運動來降低能耗——在理論上完成了預言。而在2007年，德國維爾茨堡大學實驗小組通過實驗證實這一預言。同年，張首晟院士領導的研究團隊提出的“量子自旋霍爾效應”被《科學》雜志評為2007年“全球十大重要科學突破”之一。學術主要成就：1、開創了全新的研究領域：拓撲絕緣體；2、2006年理論預言“量子自旋霍爾效應”，2007年與德國科學家合作，進行實驗驗證研究，被評委2007年十大科學進展(Science雜志)；3、2008年理論預言“量子反常霍爾效應”；4、2013年與中國科學家合作，進行實驗驗證研究。同時，2017年7月21日凌晨，張首晟及其團隊在美國科學雜志上發表了一項重大發現：在整個物理學界歷經80年的探索之后，他們終于發現了手性Majorana費米子的存在。

更多學術論文及相關信息請瀏覽張首晟院士在谷歌上的網頁：

https://zz1.glgoo.top/extdomains/scholar.google.com.hk/citations?user=BFtWlhEAAAAJ&hl=zh-CN

【后話】

關于張教授的死因，國內眾說紛紜。有說陰謀論，其家人信件公布說是抑郁，也有說是張教授深陷區塊鏈中。陰謀論咱不議論，如果是后兩者，除了感慨張教授英年早逝和緬懷之外，也需要引起一些注意和吸取教訓。

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