55岁华裔物理学家张首晟骤然离世：师从杨振宁，曾是诺奖热门人选

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55岁华裔物理学家张首晟骤然离世：师从杨振宁，曾是诺奖热门人选

2018 年 12 月 6 日 科研圈

知名美国华裔物理学家张首晟于斯坦福当地时间 12 月 1 日去世，年仅 55 岁。

张首晟生前对拓扑绝缘体研究作出了重大贡献，又因为“天使粒子”陷入争议；他也是投资圈的活跃人物，参与创立丹华资本并出任董事长。

张首晟 | 图片来源：Stanford Institute for Theoretical Physics, Stanford University

综合撰稿戚译引徐文慧

据多家媒体报道，美国华裔科学家、斯坦福大学物理系、电子工程系和应用物理系终身教授张首晟于斯坦福当地时间 12 月 1 日去世，年仅 55 岁。其家人发布声明称，张首晟是因抑郁症意外去世。

张首晟的主要贡献包括对拓扑绝缘体、量子自旋霍尔效应、自旋电子学、高温超导等领域的研究。2007 年，他发现的“量子自旋霍尔效应”被《科学》（Science）杂志评为当年的“全球十大重要科学突破”之一。他一生多次获得重要科学奖项，包括 2010 年欧洲物理学奖（Europhysics Prize ）、2012 年狄拉克奖章（Dirac Medal of the ICTP）和 2017 年度中华人民共和国国际科学技术合作奖。

张首晟 1963 年 2 月生于上海，15 岁考入复旦大学，随后留学美国，成为诺贝尔物理学奖得主杨振宁的学生，1987 年获得美国石溪大学博士学位。2011 年，张首晟当选为美国艺术与科学院院士。2013 年，张首晟与他斯坦福的学生谷安佳博士联合创立丹华资本，并担任丹华资本董事长。

拓扑绝缘体研究

张首晟最广为人知的成就，就是拓扑绝缘体研究。拓扑绝缘体的内部就像我们熟悉的绝缘体，但它的边界或表面总是存在导电的边缘态。当拓扑绝缘体只有一个原子厚度时，它的边缘就能以 100％的效率导电。

对拓扑绝缘体的研究建立在对量子霍尔效应（quantum Hall effect）的研究之上。量子霍尔效应是凝聚态物理中影响最深远的现象之一，然而它只能出现在强磁场存在的环境下，迄今为止几乎没有实际应用。

但是，量子自旋霍尔效应（quantum spin Hall effect）能在没有外加磁场的情况下出现。在特定的量子阱（例如 HgTe/CdTe 量子阱）中，无外加磁场时（即保持时间反演对称性的条件下），特定材料制成的绝缘体表面会产生特殊的边缘态，使得该绝缘体的边缘可以导电，并且这种边缘态电流的方向与电子的自旋方向完全相关，这就是量子自旋霍尔效应。

量子霍尔效应和量子自旋霍尔效应示意图。| 图片来源：Physics Today

2006 年，张首晟等人在《科学》发表论文，提出可以在不施加外部磁场的情况下实现量子霍尔自旋效应。次年，张首晟团队成功用实验验证了之前的预测，并被《科学》评为 2007 年“全球十大重要科学突破”之一。

由于这样的导电边缘态是稳定存在的，且不同自旋的导电电子的运动方向是相反的，所以信息的传递可以通过电子的自旋实现，这不涉及耗散过程，通俗地说就是不会发热。张首晟曾说：“我在 2006 年的发现基本表明我们可以让电子在规定的通道上移动，能避免互相碰撞和减损，从而延长摩尔定律（Moore's Law）的寿命，这将彻底改变 IT 和半导体行业，最终成为用手机和计算机电路结构中硅的替代品。”

张首晟说，拓扑绝缘体的理论和应用可能会引发信息技术领域的革命性发展，为手机配备相当于整个谷歌服务器机群的功率水平。

2016 年诺贝尔物理学奖被授予三位研究拓扑相变和拓扑材料的科学家，而张首晟和来自清华大学的薛其坤教授未能获奖，引发了一些科学家的不满。清华大学高等研究院研究员汪忠评论指出，张首晟、薛其坤等人未来也有获奖机会。

有趣的是，这一理论为公众所了解还要感谢美剧《生活大爆炸》（Big Bang Theory）。在其中一集里，谢尔顿代课时问台下的同学：“有谁了解拓扑绝缘体？”此时他身后白板上画的就是张首晟提出的 HgTe/CdTe 量子阱。

“天使粒子”之争

张首晟上一次引发公众的关注，是因为“天使粒子”马约拉纳费米子（Majorana fermion）的发现。马约拉纳费米子由意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳（Ettore Majorana）于 1937 年提出，他预测在费米子中有一类粒子，它的反粒子就是它自身。

2017 年 7 月 21 日，何庆林等 20 名科学家共同在《科学》发表论文，宣称观察到了马约拉纳费米子的固态类似物，引发轰动。张首晟也是论文作者之一。

张首晟团队提出的搜寻马约拉纳费米子的实验平台：由量子反常霍尔效应薄膜和普通超导体薄膜组成的混合器件。| 图片来源：澎湃新闻

张首晟指出，由于马约拉纳费米子的反粒子就是它自身，它的世界里没有魔鬼，只有天使，可以称之为“天使粒子”。这个名字来源于丹·布朗（Dan Brown）的小说《天使与魔鬼》（Angels and Demons），其中提到了用物质和反物质的湮灭制造的炸弹。

张首晟还说，马约拉纳费米子可能会被用来构建强大的量子计算机，这些计算机不会受到环境噪声的影响。他推断，既然马约拉纳费米子只有粒子、没有反粒子，那么它就相当于传统亚原子粒子的一半，因此可以将一份量子信息储存在两个分开的马约拉纳费米子中，从而降低它们同时被干扰并导致信息丢失的可能。

不过，随着公众关注的增加，“天使粒子”也引发了一些争议，主要争议点在于团队成员得到的关注度与实际贡献是否匹配。论文通讯作者之一的王康隆教授在知识分子网站上发文指出：“张教授并没有参与到我们的实验当中去。”

据澎湃新闻报道，该成果由加利福尼亚大学洛杉矶分校王康隆课题组和美国斯坦福大学教授张首晟课题组、上海科技大学寇煦丰课题组等多个团队共同完成，通讯作者为何庆林、寇煦丰、张首晟、王康隆，均为华人科学家。其中王康隆教授的博士后研究员何庆林是该实验的设计者、课题的组织者和第一作者。

风投与比特币

2013 年，张首晟与他斯坦福的学生谷安佳博士联合创立丹华资本（Digital Horizon Capital），并担任丹华资本董事长。丹华资本专注于投资美国的创新科技及商业模式，连接美国的创新与中国市场。

据新浪财经报道，2018 年丹华资本在投资中并不顺利，并且近期比特币市值的骤然下跌也给丹华资本带来不小的影响。更早之前，财新网报道指出，在 11 月 21 日美国贸易代表办公室（Office of the United States Trade Representative）发布的《2018 年 301 调查报告》（2018 Special 301 Report）中，指责中国政府“不公正地”使用风投资本收购、投资美国生物技术公司，其中提到了包括丹华资本在内的三家中国风投机构。

丹华资本已经就张首晟的离世发布声明，并表示目前仍在持续正常运营。

（封面图片来自 China Daily USA。）

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