張首晟教授是美國文理科學(xué)院院士、美國物理學(xué)會(huì)會(huì)士、中國科學(xué)院外籍院士、美國國家科學(xué)院院士，現(xiàn)任斯坦福大學(xué)J.G. Jackson和C.J. Wood講座教授。他的主要貢獻(xiàn)包括對(duì)拓?fù)浣^緣體、量子自旋霍爾效應(yīng)、自旋電子學(xué)、高溫超導(dǎo)等領(lǐng)域的研究，他領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)于2006年提出的量子自旋霍爾效應(yīng)被《科學(xué)》評(píng)為2007年“全球十大重要科學(xué)突破”之一，他本人也被認(rèn)為是諾貝爾物理獎(jiǎng)的有力競(jìng)爭者之一。
　　摩爾定理的危機(jī)
　　當(dāng)今世界上，學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為，科技的進(jìn)步要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人類本身的進(jìn)化?？萍己托畔⒓夹g(shù)之所以能夠有如此飛快的成長，主要的原因就是所謂的摩爾定理。摩爾定理意指在半導(dǎo)體芯片上集成的晶體管（亦稱為晶體三極管，簡稱三極管）和電阻數(shù)量（或者說計(jì)算能力）每過十八個(gè)月就會(huì)翻一次倍。同理，在同一個(gè)信息鏈接上，其三極管的能量也翻一次倍。在過去的五六十年里，摩爾定理一直有效，而今天，我們卻逐漸發(fā)現(xiàn)了一個(gè)趨勢(shì)，即如果用常規(guī)的技術(shù)來繼續(xù)推進(jìn)摩爾定理，未來會(huì)碰到一個(gè)非常嚴(yán)重的瓶頸，也就是在今年的“雙創(chuàng)”大會(huì)上，有專家提出的，摩爾定理的危機(jī)已經(jīng)成為目前最大的危機(jī)。
　　摩爾定理的危機(jī)是如何產(chǎn)生的呢？大家能夠感受到，電腦在運(yùn)行過程中會(huì)變燙，這是因?yàn)樵谟?jì)算過程中，電子發(fā)生了非常強(qiáng)大的能耗。按照摩爾定理，那就意味著，每過十八個(gè)月，三極管的熱量也會(huì)翻一次倍。有一個(gè)很形象的比喻，即電子在芯片這個(gè)層次的運(yùn)行，就像汽車在奔跑，但是它并不是在高速公路上，而是像在一個(gè)集市中。而密集的車輛在一個(gè)雜亂的集市中隨機(jī)行駛的結(jié)果，必然是不停地與周圍的車輛發(fā)生碰撞?？梢韵胍?，在與其它電子不斷發(fā)生碰撞的過程當(dāng)中，熱量會(huì)大量地產(chǎn)生。那么，如此巨大的能量如果不能夠馬上被耗散出去，芯片就會(huì)被燒掉，不會(huì)繼續(xù)工作，這是摩爾定律發(fā)展的最大阻礙。
　　那么，隨著越來越密集、越來越快的計(jì)算，使我們科學(xué)家有非常好的機(jī)會(huì)來尋找新的原理，從而使摩爾定理能夠繼續(xù)有效。我們都非常熟悉高速公路，它采用了雙向?qū)﹂_的模式，而我的研究結(jié)果是，做一個(gè)芯片的“高速公路”，使微電子能夠在芯片層面上有序運(yùn)行，各行其道而互不干擾。如果高速公路的運(yùn)動(dòng)模式能夠運(yùn)用到芯片上來的話，那么摩爾定理則會(huì)繼續(xù)向前推進(jìn)。
　　眾所周知，硅谷帶動(dòng)了整個(gè)人類信息技術(shù)的發(fā)展。為什么信息技術(shù)的發(fā)展如此迅猛？這是因?yàn)樵谏鲜兰o(jì)四十年代末，約翰·巴丁、威廉·肖克利等三位科學(xué)家發(fā)明了三極管，三極管推動(dòng)了全球范圍內(nèi)的半導(dǎo)體電子工業(yè)。作為主要部件，它及時(shí)、普遍地在通訊工具方面得到應(yīng)用，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。由于三極管徹底改變了電子線路的結(jié)構(gòu)，集成電路以及大規(guī)模集成電路應(yīng)運(yùn)而生，使制造高速電子計(jì)算機(jī)之類的高精密裝置變成了現(xiàn)實(shí)。由于對(duì)人類生活的巨大改變，這三位科學(xué)家獲得了1956年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。其中，肖克利先生一直在斯坦福大學(xué)物理系任教，他和他的子弟們后來創(chuàng)辦了很多的半導(dǎo)體公司，并逐步發(fā)展形成了今天谷歌這樣的信息公司，進(jìn)而促進(jìn)了整個(gè)硅谷的發(fā)展。
　　今天，在全世界，尤其在我們中國，幾乎每個(gè)地區(qū)都想成為新的硅谷，能夠在全球范圍內(nèi)引領(lǐng)信息科技的下一個(gè)大發(fā)展進(jìn)程。但是，如果沒有一個(gè)歷史性的機(jī)遇，我們將永遠(yuǎn)走在硅谷之后。按照中國古老的哲學(xué)，危機(jī)意味著有“危”也有“機(jī)”，而今天摩爾定理所遇到的危機(jī)，無疑為我們創(chuàng)造了一個(gè)新的歷史機(jī)遇。如果我們能夠找到一個(gè)新的原理，那么全球信息技術(shù)的格局將面臨重新洗牌，在這個(gè)過程中，中國即有彎道超車的機(jī)會(huì)。所以，我的科學(xué)研究旨在實(shí)現(xiàn)讓電子能夠在芯片的層次實(shí)現(xiàn)高速公路那樣的運(yùn)行模式，能夠各行其道而互不干擾。
　　拓?fù)浣^緣體——新的技術(shù)革命
　　并且，我們?cè)谛履茉础⑿虏牧仙系募夹g(shù)研究，也要抓住科學(xué)界在國際范圍內(nèi)的研究趨勢(shì)，讓電子能夠在新材料上按照車道的方式運(yùn)行。所以，我所研究的拓?fù)浣^緣體，真正在改變著大家對(duì)材料的認(rèn)識(shí)。大家都知道，石墨烯是一種新型材料，其原子層是由碳原子組成的。拓?fù)浣^緣體的結(jié)構(gòu)與石墨烯一樣，也是二維平面上的原子層，但它是一個(gè)蜂窩狀結(jié)構(gòu)，可以說是繼石墨烯之后的，更具有優(yōu)良性價(jià)比的新材料，它使得電子能夠真正在芯片的層次上各行其道而互不干擾。同時(shí)，它也可以作為一個(gè)非常好的熱電材料，能夠把廢熱變?yōu)殡娔堋Ｈ绻麤]有最新的技術(shù)，我們?cè)谑澜缟峡偸且尤撕?。而目前，國際半導(dǎo)體設(shè)備與材料組織（SEMI）就半導(dǎo)體技術(shù)在下一階段的發(fā)展前景曾發(fā)表一篇新的文章，文章指出，拓?fù)浣^緣體材料能夠真正帶來半導(dǎo)體技術(shù)的革命。
　　同時(shí)，拓?fù)浣^緣體的神奇之處還在于，它能夠進(jìn)行量子計(jì)算。量子計(jì)算與通常的計(jì)算機(jī)不同，它能夠做出平行計(jì)算，使得它能在很短的時(shí)間內(nèi)，計(jì)算出很多經(jīng)典計(jì)算機(jī)都無法算出的結(jié)果。對(duì)這一材料的應(yīng)用，有可能真正使中國在這一領(lǐng)域達(dá)到全世界領(lǐng)先水平。
　　由于我發(fā)明了拓?fù)浣^緣體技術(shù)，所以與國內(nèi)的科研院所、高校都有著非常緊密的合作。也得益于這一研究成果，使我獲得了很多國際獎(jiǎng)項(xiàng)，其中，法蘭克林獎(jiǎng)對(duì)我的影響非常深刻。首先，法蘭克林先生是一個(gè)與眾不同的、偉大的科學(xué)家。在我們讀小學(xué)的時(shí)候就聽到過他的故事，那是在一個(gè)雷電交加的日子，法蘭克林先生曾利用系在風(fēng)箏上的金屬導(dǎo)電棒接引雷電，從而證明了閃電的科學(xué)原理。在這個(gè)過程中，他置生死于度外，可以說是非常了不起的；同時(shí)，他也是一個(gè)發(fā)明家，他發(fā)明的避雷針也造福了人類；他又是一個(gè)偉大的政治家，是美國獨(dú)立宣言的起草者之一，因此，他的頭像被永遠(yuǎn)地印在了100美元的紙幣上；不僅止于此，他也是一個(gè)非常偉大的企業(yè)家。通常，一個(gè)人不會(huì)既是科學(xué)家又是企業(yè)家，但法蘭克林就是這樣的人；他還是一名成功的外交家等等，可以說，在很多領(lǐng)域，法蘭克林先生都獲得了巨大的成功，因此我為獲得這一獎(jiǎng)項(xiàng)而倍感榮幸。不僅如此，我的偶像愛因斯坦和牛頓也曾經(jīng)是法蘭克林獎(jiǎng)的獲得者，而我獲得了這一獎(jiǎng)項(xiàng)之后，其他曾經(jīng)獲得過這一獎(jiǎng)項(xiàng)的居里夫人、霍金、楊振寧等人都成為了我的偶像，它使我的人生擁有了更多新的楷模。
　　可以說，法蘭克林獎(jiǎng)的獲得，使我對(duì)整個(gè)人生有了一次重新的認(rèn)識(shí)。在我們這個(gè)時(shí)代，科學(xué)家并不少，但是能夠像法蘭克林一樣，全面開花、成功跨界的人卻很少。所以我在想，在今天的中國，正是創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的大好時(shí)機(jī)，我能否利用我的學(xué)識(shí)，為中國的發(fā)展也作出一些貢獻(xiàn)？