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美籍华裔科学家获国家领导人颁奖 他的贡献多大?

2017年度国家科学技术奖励大会在人民大会堂举行,除了王泽山和侯云德获得分量最重的最高科学技术奬之外,还有7名外籍科学家获得中华人民共和国国际科学技术合作奬,其中有四位是美籍科学家,包括两名华裔,还有一位是瑞典籍华裔。

这些外籍科学家中,名气最大的当属美籍物理学家张首晟了。

据介绍,张首晟由中国驻旧金山领事馆推荐,理由是他积极参与和中国科研院所的合作,直接促成中国在量子反常霍尔效应、拓扑絶缘体以及新近的外尔半金属等领域的国际领先地位。

2017年7月,张首晟团队发现“马约拉纳费米子”的新闻一度在国内刷屏,尽管确切地说,他发现的只能算是“马约拉纳准费米子”,但包括杨振宁和汤森路透在内的权威声音都认为,张首晟已经成为诺贝尔物理学奬的大热门。

但是张首晟对于中国的科研工作又做了哪些贡献,可能还不太被外界熟悉。

直接助力中国首个诺奬级成果

早在2008年,张首晟就已经入选“千人计划”,受聘于清华大学高等研究院。按照规定,“千人计划”学者每年至少有6个月的时间要留在国内。

而在清华期间,张首晟直接对薛其坤团队发现量子反常霍尔效应做出了重要贡献。

2013年,薛其坤领衔、清华大学物理系和中科院物理所联合组成的实验团队,首次在实验上发现量子反常霍尔效应,被杨振宁评价为“第一次从中国实验室里发表的诺贝尔奖级的物理学论文”。

而薛其坤正是在和张首晟的直接合作中取得最终成果的。

据清华大学官网介绍,拓扑絶缘体这个凝聚态物理中的新领域是由斯坦福大学的张首晟教授与来自美国和德国的另外两位科学家共同开创的。

张首晟和薛其坤之间的深厚友谊和密切交流使他们意识到,这是一个非常值得深入探究的领域。从那时起,他们就展开了对拓扑絶缘体中新奇量子效应的实验研究。

2006年,张首晟和他的学生们成功地预言了第一个拓扑絶缘体。2008年,张首晟和清华大学高等研究院博士生祁晓亮提出,当时间反演对称性被磁性 破坏后,会出现奇妙的量子反常霍尔效应,从此,磁性拓扑絶缘体便成为实现量子反常霍尔效应的理想系统。2008年,清华大学博士生刘朝星和祁晓亮在张首晟 及中科院物理所研究员方忠和戴希的大力支持下,提出了二维磁性拓扑絶缘体实现量子反常霍尔效应的基本机理。自旋能带的反带原理深刻影响了量子反常霍尔效应 的理论研究。2009年,张首晟和他的博士生们提出了Bi2Se3,Bi2Te3,Sb2Te3掺入3d磁性元素,实现磁性拓扑絶缘体的方案,并做了具体 的解析计算。该文章发表在《自然》杂志物理分刊上。五个月后,张首晟又与中科院物理所方忠、戴希开展了紧密合作,通过第一性原理的数值计算,认证了该系统 乃是磁性拓扑絶缘体,是实现量子反常霍尔效应的理想材料。

可以说, 薛其坤团队的成果基本上就是用高难度的实验室手段,实现了张首晟的理论预言。

“这项成果是我们团队精诚合作、联合攻关的共同成果,是中国科学家的集体荣誉。”薛其坤、张首晟、方忠等都着重强调这一点。

发现“天使粒子”,中国贡献也很大

而且,清华大学对于量子反常霍尔效应的研究,也直接帮助张首晟团队发现“马约拉纳费米子”。

马约拉纳费米子论文的第一作者,加州大学洛杉矶分校(UCLA)的何庆林是这样解释这次研究的:

本次研究是利用了反常量子霍尔絶缘体(quantum anomalous Hall insulator)与超导体(superconductor)的耦合机制而形成一种新的拓扑量子态,称为拓扑超导体(topological superconductor)。UCLA团队利用分子束外延技术,製备了只有6纳米厚的反常量子霍尔絶缘体薄膜,然后在表层沉积超导体后将样品冷却至接 近絶对零度,通过外加电场和磁场的调控,测试样品的量子电导,来证明了具有马约拉纳费米子激发的输运态,并且世界上首次实现其粒子的量子化,因此此工作是 世界上首次实验证明这种粒子存在的最有力的证据。

而张首晟和薛其坤等人的这一系列研究,为拓扑量子计算机的实现奠定了基础。

何庆林说:

“我们已经成功探测到这种粒子;

下一步我们将製备齣电子晶片,实现基于这一粒子为基础的拓扑量子计算机电脑晶片。”

海外华人科学家的意义

或许,很多人至今仍然对张首晟这样的顶级人才加入美国籍而耿耿于怀,但是回顾一下他的人生经历就会发现,这只是特定年代下的唯一选择。

张首晟在1978年,以15岁的年龄就考入复旦大学物理系,一年多后又因为成绩优异,被送往西德留学。

在柏林自由大学学习的时候,张首晟把大统一理论当成了自己的学术目标。后来在杨振宁的建议下,在美国专注于凝聚态物理研究。

那时候,即使在美国,凝聚态物理也是一个新兴学科,若是换到任何一个别的国家,恐怕张首晟既没有经费,也没有环境做出如今的成果了。

而以2008年的“千人计划”为代表,这些海外华人精英正回过头来给祖国做出巨大的回馈。

发现马约拉纳费米子的论文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。

“青年千人”科学家寇煦丰

其中,寇煦丰为王康隆的学生,2009年至2015年UCLA获得博士学位,2016年回国加入上海科技大学。可以预见,随着中国高校在基础科学领域的投入加大,这样的中外合作研究会越来越多,中国的海外留学生(专题)们也会越来越倾向于将自己学到的本领,带回自己的祖国。

中国能在像拓扑量子计算机这样的前沿学科佔据国际领先地位,更是离不开这种全球化的人才培养机制。


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