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中大工程學院研究團隊宣佈，在納米機械拓撲絕緣體中發現了新自由度，有機會開拓新型電腦晶片研究方向。
談到「拓撲絕緣體」，不能不提已故華裔科學家張首晟，發現「量子自旋霍爾效應」（Quantum Spin Hall effect）的理論和實驗作出的貢獻，開啟了拓撲絕緣體的研究領域。
根據摩爾定律，處理器電晶體數量，每18個月增一倍，功耗也增加一倍；摩爾定律樽頸就是芯片的功耗，以矽作為材料的芯片，處理器消耗功率，約有二成浪費在晶體管柵極漏電，處理器電晶體柵極寬度越短，漏電更嚴重，原因是電晶體過於集中，產生量子隧穿效應，電子像塞車一樣發生碰撞，產生了漏電。芯片解決漏電的各種手段，已走到物理學的極限。
如果電子能像汽車，只要芯片變成了高速公路，限制電子運動只在特定「車道」上行駛，各有各自開車規律，就可實現超高速的處理器，同時減少能耗。芯片要變身電子的超級公路，先須基礎科學探索新原理和材料。
拓撲絕緣體就是基於量子力量的理論成果，最有希望可開發出下一代半導體的新材料，關鍵在於「量子霍爾效應」（Quantum Hall Effect）近年的突破，物理學界曾因「量子霍爾效應」研究，連續出現了兩個諾貝爾獎。
文革後，張首晟15歲考入上海復旦大學，赴德國留學再到紐約州立大學石溪分校，師從楊振寧，原意研究「統一場論」；楊振寧建議下改研究凝聚態物理。楊振寧告訴他，科學家可從「一粒沙裡可看見一個世界」。
信息技術革命的新材料
2006年, 张首晟預言了二維拓撲絕緣體中的「量子自旋霍爾效應」（Quantum Spin Hall effect），與賓夕法尼亞大學C.L. Kane一同發表獨立論文，指出有些複合物在適當條件下，可能有表面導電現象，稱為「拓撲絕緣體」而一舉成名。2008年，张首晟再預測了磁性摻雜的拓撲絕緣體，可實現「量子反常霍爾效應」，電子以新的姿勢有序行走，減低了能耗，更足以引發下一波信息技術革命。
張首晟的拓撲絕緣體研究，目標是讓電子像在不同車道上行走，操控自旋自由度以改變其運動；打破了傳統觀點，以為電子運動不可能「管理」控制。電子既有圍繞原子的軌道，也有自旋運動，愛因斯坦「相對論」就預言電子旋轉關係與軌道有某種耦合。從數學結構加上拓撲學的推算，張首晟預言拓撲絕緣體出現。以理論和數學預言，走在實驗前面，情況跟近年才證實的上帝粒子，以及保羅· 狄拉克（Paul Dirac）的預言差不多。
張首晟發現「量子自旋霍爾效應」推算出拓撲絕緣體，原因竟是與2006年，百年數學難題「龐加萊猜想」被中山大學朱熹平和清華大學曹懷東破解，從此打開凝聚態物理的新天地。2016年，諾貝爾物理學獎頒予發現物質的拓撲相變和拓撲相的三位科學家，就是以拓撲學結合量子力學，預言了「量子反常霍爾效應」。
2010年，中科院物理所的方忠、戴希團隊，與張首晟提出Cr或Fe磁性離子摻雜的Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3族拓撲絕緣體，為實現量子反常霍爾效應最佳體系。近年，中國科學家曹原亦在「魔角扭曲雙層石墨烯」也發現了量子反常霍爾效應。
中大再發現自由度
一般絕緣體表面鍍一層金屬導電，隨著時間日久，塗層侵蝕受損，導電性能消失。拓撲絕緣體表面態導電，即使如何受到環境腐蝕，表面再產生導電新表層。拓撲絕緣體的內部是絕緣體，邊界或表面卻存在導電的邊緣態。材料內部電子圍繞著晶格運動，同時也自身高速旋轉，兩種運動模式，分別對應了電子軌道和自旋兩種屬性，可建立電子的高速公路。
拓撲絕緣體可開發低耗電芯片，中大電子工程學系的孫賢開教授團隊，最近在納米機械的拓撲絕緣體，再發現一個新的自由度，首次掌握晶片上對拓撲相的靈活操控，為未來製造新芯片提供重要基礎，結果刊載在《自然‧納米技術》（Nature Nanotechnology）上。
傳統的拓撲絕緣體研究，正如張首晟等人，大多集中於研究電子自旋自由度的操控，鮮有關於電子軌道自由度研究。因為傳統拓撲絕緣體中的電子，往往只沿著固定軌道運動。
奠定下代芯片基礎
中大團隊取得的突破，是實驗上首次發現具有軌道自由度的拓撲絕緣體，可用來構建具有任意軌道的拓撲絕緣體，可用於光學和聲學平台上，實現具有不同軌道的拓撲相之間的平穩轉化。因此，上述發現可實現許多具有非傳統功能的奇異拓撲器件，如能夠自動繞過障礙而不產生反射的波導，亦可用於高靈敏度傳感器的諧振腔，推動大規模拓撲集成迴路的發展，擴展拓撲絕緣體靈活度，為製作新一代電腦芯片奠下基礎。
孫賢開表示：「是次研究在納米機械平台上成功地實現了拓撲絕緣體，這一概念亦可以拓展到光學和聲學領域，用於抗背散射或背反射的信號傳輸，對構建無信號串擾的大規模集成電子、光子和聲子迴路尤為重要。研究成果對用於下一代互聯網的光通信系統以及下一代計算機的納米芯片，將帶來深遠影響。」
2007年，《科學》雜誌曾形容張首晟「量子自旋霍爾效應」發現，為「全球十大重要科學突破」。2009年，張首晟入選了俗稱「千人計劃」中國人才引進計畫，又獲清華特聘為教授，獲獎無數，事業如日中天。2018年11月，美國貿易代表辦公室（USTR）發布《301調查報告》指控中國以風險投資為名，獲得美國尖端技術和知識產權，並指控張首晟創立的丹華資本，12月張首晟就在史丹福大學跳樓身亡，享年55歲。
張首晟死後，傳言不絕如縷，有傳聞他向華為提出國產芯片的「跨越式發展」，以「量子自旋霍爾效應」生產「拓撲絕緣體」，降低能耗和加快處理器速度。張首晟家人則澄清其死於憂鬱症，與任何陰謀無間。
楊振寧撰文讚揚愛徒「張首晟是第一流的物理學家」，量子自旋霍爾效應和拓撲絕緣體的開山之功，諾獎只是遲早問題。人生彈指剎那，百年過後，不過一捧黃沙，張首晟從沙中所悟的拓撲絕緣體，發展卻沒停下來。去年中科大喬振華團隊為實現高階的拓撲絕緣體提供了理論依據，今日中大在電子任意軌道控制取得突破；斯人已矣，下一代芯片，已指日可待。