缅怀 张首晟教授过往重要科研成果梳理

【个人基本简介】

张首晟院士 (1963—2018/12/1), 汉族，出生于上海，祖籍江苏高邮，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。2007年，他发现的"量子自旋霍尔效应"被《科学》杂志评为当年的"全球十大重要科学突破"之一。基于他对拓扑绝缘体和量子自旋霍尔效应的开创性研究，张首晟已包揽物理学界所有的重量级奖项，包括欧洲物理奖、美国物理学会巴克莱奖、国际理论物理学中心狄拉克奖、尤里基础物理学奖和富兰克林奖章。2009年，成功入选 "千人计划"，并被清华大学特聘为教授，开始为祖国效力。2013年被评为中国科学院外籍院士。2017年7月21日，美国加州大学洛杉矶分校华裔科学家王康隆、斯坦福大学华裔科学家张首晟、上海科技大学教授寇煦丰等团队合作在《科学》杂志上发表了一项重大发现:在整个物理学界历经80年的探索之后，他们终于发现了手性马约拉纳费米子的存在，张首晟将其命名为"天使粒子"。

但是，令世界科学界和信息产业界很不幸的消息，在2018年12月1日，美国华裔物理学家，张首晟教授去世，终年55岁。

自2006年以来，学术论文被引用次数的统计表：

自2006年以来，已发表的优质学术论文（被引次数大于10）统计表：

【部分成果简介】

首先，我们需要简单了解一下“量子自旋霍尔效应”，即找到电子自旋方向与电流方向之间的规律，并利用这个规律可以使电子以新的姿势非常有序地“舞蹈”，从而使能量耗散很低。在特定的量子阱中，在无外磁场的条件下(即保持时间反演对称性的条件下)，特定材料制成的绝缘体的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，即量子自旋霍尔效应。

1、Quantum Spin Hall Effect （量子自旋霍尔效应）

在2006年，张首晟研究团队首次在Phys. Rev. Lett.报道了关于量子自旋霍尔效应的理论猜想。因为量子霍尔液体是具有诸如分数电荷和统计学等性质的一种新的物质状态，而量子霍尔效应的存在是需要破坏由外部磁场引起的时间反转对称性。在这项工作中，他们预测在没有任何磁场的情况下量子化自旋霍尔效应，其中本征自旋霍尔电导以2^e/4π为单位量子化。在存在应变梯度的情况下，通过常规半导体中的自旋轨道耦合产生简并量子朗道能级。这种新的物质状态具有拓扑场理论描述的许多深刻的相关性质。

参考文献：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尔效应和拓扑相变)

在文中，张首晟研究团队证明了量子自旋霍尔（QSH）效应，是一种具有不同于传统绝缘体的拓扑性质的物质状态，可以在碲化汞—碲化镉半导体量子阱中实现。当量子阱的厚度变化时，电子状态在临界厚度d_c处从正常变为“反转”类型。表明这种转变是传统绝缘相和具有单一螺旋边缘状态的QSH效应相的拓扑量子相变。他们还讨论了QSH效应的实验检测方法。

参考文献：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尔绝缘体状态)

量子自旋霍尔效应的理论预测，是一种存在于零外部磁场的基本上新的物质量子态，在HgTe / (Hg, Cd) Te量子阱中被观测到。通过制造具有低密度和高迁移率的这种样品结构，其中通过外部栅极电压将载流子传导从n型调谐到p型的绝缘状态。对于阱宽d < 6.3 nm的薄量子阱绝缘体系显示出在低温下消失的小电导的常规行为。然而，对于较厚的量子阱（d > 6.3 nm）的标称绝缘状态显示接近2e²/h的残余电导，其中e是电子电荷，h是普朗克常数。而残余电导与样品宽度无关，即它是由边缘状态引起的。此外，残留的电导被小的外部磁场破坏。临界厚度d = 6.3 nm的量子相变也是由磁场引起的绝缘体到金属转变独立地确定的。这些观察结果证实了量子自旋霍尔效应的存在。

参考文献：Science, 2007, 318, 766-770. DOI: 10.1126/science.1148047

4、Nonlocal Transport in the Quantum Spin Hall State (量子自旋腔状态下的非局部传输)

通过边缘信道的非本地传输对于低功率信息处理是有很大的希望。 然而，目前仅在高磁场的量子霍尔体系中证明了边缘通道。研究发现量子自旋霍尔区中的碲化汞量子阱在零外部磁场下也表现出非局部边缘通道传输。实验数据证实通过（螺旋）边缘通道的量子传输是无耗散的，并且接触导致边缘处的反向传播自旋状态之间的平衡。实验数据与量子自旋霍尔效应理论定量相吻合。边缘通道传输为新一代自旋电子设备的低功耗信息处理铺平了道路。

参考文献：Science, 2009, 325, 294-297. DOI: 10.1126/science.1174736

5、Experimental Realization of a Three-Dimensional Topological Insulator, Bi₂Te₃ (实验实现一种具有三维拓扑的绝缘体Bi₂Te₃)

三维拓扑绝缘体是量子物质的一种新状态，因为在表面上具有体间隙和奇数个相对论的狄拉克费米子。利用角分辨光电子能谱研究Bi₂Te₃的表面状态，证实了表面状态由单个非简并的狄拉克锥组成。此外，通过适当的空穴掺杂，调整费米能级使其仅与表面状态相交，从而指示立体状态的完全能隙。研究结果表明Bi₂Te₃是三维拓扑绝缘体的简单模型系统，其表面上有一个狄拉克锥。Bi₂Te₃的大体积间隙也表明了高温自旋电子应用的巨大潜力。

参考文献：Science, 2009, 325, 178-181. DOI: 10.1126/science.1173034

6、Crossover of the three-dimensional topological insulator Bi₂Se₃ to the two-dimensional limit (三维拓扑绝缘体Bi₂Se₃的交叉到二维极限)

拓扑绝缘体是量子物质的一种新状态，具有沿着边界流动的体积和无间隙模式中的有限能隙的特征，其对于无序散射具有鲁棒性。并且表面状态的拓扑保护对于低功率电子器件和容错量子计算都是很有用的。同时，对于三维拓扑绝缘体的薄板，来自相对表面的边界模式可以通过量子隧穿耦合，从而打开小的厚度相关的间隙。作者通过角分辨光电发射光谱在分子束外延生长的各种厚度的Bi₂Se₃薄膜。当厚度低于六个五倍层时，可以清楚地看到能隙开口。由于两个表面之间的衬底引起的电位差，有间隙的表面状态也表现出相当大的超晶格型自旋轨道分裂。可调间隙和自旋轨道耦合使这些拓扑薄膜成为电子和自旋电子器件应用的理想选择。

参考文献：Nature Physics, 2010, 6, 584–588.

7、Quantized Anomalous Hall Effect in Magnetic Topological Insulators (磁拓扑绝缘子中的量子化异常霍尔效应)

异常霍尔效应是由自旋—轨道耦合产生的固体中的基本传输过程。在量子异常霍尔绝缘体中，自发磁矩和自旋轨道耦合结合起来产生拓扑非简并的电子结构，导致量子化霍尔效应而没有外部磁场。基于第一性原理计算，作者预测四方晶系半导体Bi₂Te₃、Bi₂Se₃和Sb₂Te₃在掺杂过渡金属元素（Cr或Fe）时形成磁性有序绝缘体，而传统的稀磁性半导体则需要自由载流子来介导磁耦合，并通过实验得以证实。在二维薄膜中，这种磁性顺序产生一种拓扑电子结构，其特征在于有限的陈数，其中霍尔电导以e² / h为单位量化（e是电子的电荷，h是普朗克常数）。

参考文献：Science, 2010, 329, 61-64. DOI: 10.1126/science.1187485

8、Aharonov–Bohm interference in topological insulator nanoribbons (Aharonov-Bohm干扰拓扑绝缘体的纳米带)

拓扑绝缘体代表具有绝缘体间隙和无间隙边缘或表面态的量子物质的不同时期。通过前期工作的积累，作者通过层状单晶Bi₂Se₃的纳米带中的周期性量子干涉效应显示拓扑表面态的明确传输证据，其具有比块状材料更大的表面—体积比，因此可以表现出表面效应。磁阻中Aharonov-Bohm振荡清楚地证明了二维电子在纳米带表面周围的相干传播，正如表面状态的拓扑性质所预期的那样，以初级h/e振荡为主导地位，其中h是普朗克常数，e是电子电荷。其温度依赖性证明了这些状态的稳定性。研究结果表明拓扑绝缘体纳米带为室温下未来的自旋电子器件提供了有前途的材料。

参考文献：Nature Materials, 2010, 9, 225–229.

9、Spin polarization of the quantum spin Hall edge states (量子自旋霍尔边缘状态的自旋极化)

通过量子自旋霍尔效应的预测和验证实验，标志着拓扑绝缘体的新物质状态被发现。其中二维拓扑绝缘体表现出得量子自旋霍尔效应，就是利用其无间隙自旋极化反向传播边缘通道。尽管现在已经建立完善的这些边缘通道的螺旋特征，但是实验证实这些边缘通道中的传输的自旋极化仍然很突出。因此，研究了由具有倒带结构的HgTe量子阱制造的纳米结构的实验，其中利用分裂栅的技术可以将量子自旋霍尔和金属自旋霍尔传输组合到单个器件中。在这些器件中，量子自旋霍尔效应可用作自旋电流注入器和金属自旋霍尔效应的检测器，反之亦然，即全自动检测自旋极化。

参考文献：Nature Physics, 2012, 8, 485–490.

10、Experimental Observation of the Quantum Anomalous Hall Effect in a Magnetic Topological Insulator (磁拓扑绝缘子中量子异常霍尔效应的实验观察)

虽然前期已经预测的异常霍尔效应的量子化发生在磁拓扑绝缘体中，但是在实验中实现并观察到仍旧具有挑战性。本文中，作者研究了在掺杂铬的(Bi, Sb)₂Te₃薄膜的磁性拓扑绝缘体中的量子异常霍尔（QAH）效应变化。在零磁场下，栅极调谐的异常霍尔电阻达到预测的量化值h/e²，伴随着纵向电阻而显着下降。在强磁场下，纵向电阻消失，而霍尔电阻保持在量子化值。QAH效应的实现可能导致低功耗电子器件的发展。

参考文献：Science, 2013, 340, 167-170. DOI: 10.1126/science.1234414

11、Epitaxial growth of two-dimensional stanine (外延生长的二维的锡烯)

最近通过分子束外延生长实现了二维屈曲的Si基硅烯，而通过分子束外延和机械剥离获得了Ge基锗。然而，目前Sn基锡烯的合成具有挑战性的。在文中，研究了通过分子束外延成功制造了2D 锡烯，并且结合第一原理计算，利用扫描隧道显微镜和角度分辨光电子能谱的原子和电子表征的到证实。锡烯及其衍生物的合成将促进其理论预测性能的进一步实验研究，例如具有非常大带隙的2D拓扑绝缘行为，以及支持增强的热电性能、拓扑超导性和近室温量子的能力霍尔效应异常。

参考文献：Nature Materials, 2015,14, 1020–1025.

12、High-precision realization of robust quantum anomalous Hall state in a hard ferromagnetic topological insulator (硬磁铁磁拓扑绝缘子中高强度量子异常霍尔效应的高精度实现)

量子霍尔（QH）效应的发现导致了在强磁场下沿着二维电子层的边缘在一个方向上循环的无耗散电流的拓扑电子态的实现。量子自旋霍尔（QAH）效应与QH效应具有相似的物理现象，而其物理起源依赖于内在自旋轨道耦合和铁磁性。在文中，研究了钒（V）掺杂（Bi, Sb）₂Te₃薄膜中QAH态的实验观察，实验条件是：在T = 25 mK时，零场纵向电阻低至0.00013 ± 0.00007 h/e²（~3.35 ± 1.76 Ω），霍尔电导达到0.9998 ± 0.0006 e²/h,，霍尔角高达89.993° ± 0.004°。该系统的另一个优点是具有大矫顽场（Hc >1.0 T）和相对高的居里温度的硬铁磁体。在硬铁磁拓扑绝缘体（FMTI）中实现稳定的QAH状态，是在没有外部场的情况下向无耗散电子应用迈出的重要一步。

参考文献：Nature Materials, 2015,14, 473–477.

13.人工智能进行材料发现

斯坦福张首晟团队开发的人工智能程序Atom2Vec就用几小时重构了人类用了上百年才发现的元素周期表。Atom2Vec首先通过分析在线数据库的化合物名称列表，学会区分不同的原子。然后，借用自然语言处理中的简单概念：一个词语的特性是可以从它周围出现的其他单词来得出的；把化学元素根据它们所处的化学环境聚类。元素周期表已经发现了，Atom2Vec重新发现又有什么用呢？它的意义在于AI是可以独立重复人类已经完成的一些伟大发现。进一步，如果将来AI独立发现了人类所没有发现的规模或者新材料，大家也不会感到奇怪。

参考文献：https://www.pnas.org/content/115/28/E6411

【简要总结】

张首晟院士的代表性工作主要为高温超导的SO(5) 理论、4维量子霍尔效应、室温无耗散自旋流等，在国际相关研究领域里有很大的影响。迄今为止，他已发表时数百篇优质的学术论文，被他人引用超过70000 多次。最重要的是，张首晟院士领导的研究团队于2006年提出了“量子自旋霍尔效应” (Quantum Spin Hall Effect)，将其基于芯片业未来提出的新构想——通过控制电子的自旋运动来降低能耗——在理论上完成了预言。而在2007年，德国维尔茨堡大学实验小组通过实验证实这一预言。同年，张首晟院士领导的研究团队提出的“量子自旋霍尔效应”被《科学》杂志评为2007年“全球十大重要科学突破”之一。学术主要成就：1、开创了全新的研究领域：拓扑绝缘体；2、2006年理论预言“量子自旋霍尔效应”，2007年与德国科学家合作，进行实验验证研究，被评委2007年十大科学进展(Science杂志)；3、2008年理论预言“量子反常霍尔效应”；4、2013年与中国科学家合作，进行实验验证研究。同时，2017年7月21日凌晨，张首晟及其团队在美国科学杂志上发表了一项重大发现：在整个物理学界历经80年的探索之后，他们终于发现了手性Majorana费米子的存在。

更多学术论文及相关信息请浏览张首晟院士在谷歌上的网页：

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

【后话】

关于张教授的死因，国内众说纷纭。有说阴谋论，其家人信件公布说是抑郁，也有说是张教授深陷区块链中。阴谋论咱不议论，如果是后两者，除了感慨张教授英年早逝和缅怀之外，也需要引起一些注意和吸取教训。

本文由材料人电子组的小胖纸编译，材料人编辑整理。

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