張首晟

張首晟

張首晟(Shou-Cheng Zhang),漢族,美國華裔科學家,祖籍江蘇高郵,1963年生于上海。斯坦福大學物理系、電子工程系和套用物理系終身教授。

2007年,張首晟發現的"量子自旋霍爾效應"被《科學》雜志評為當年的"全球十大重要科學突破"之一。基于他對拓撲絕緣體和量子自旋霍爾效應的開創性研究,張首晟已包攬物理界所有重量級獎項,包括歐洲物理獎、美國物理學會巴克萊獎、國際理論物理學中心狄拉克獎尤裏基礎物理學獎富蘭克林獎章

  • 中文名稱
    張首晟
  • 外文名稱
    Shou-Cheng Zhang
  • 民族
  • 出生地
    上海
  • 出生日期
    1963
  • 職業
    斯坦福大學教授
  • 畢業院校
    柏林自由大學、紐約州立大學
  • 籍貫
    江蘇高郵

人物簡介

張首晟(Shoucheng Zhang),美國華裔科學家。祖籍江蘇高郵,1963年生于上海。張首晟于1978年在沒有讀過高中的情況下,直接考入復旦大學,一年後,他又赴柏林大學留學攻讀碩士學位。1983年,張首晟獲得柏林自由大學物理碩士學位。同年,美國紐約州立大學石溪分校,師從楊振寧教授攻讀物理學獲博士學位。1987年,他獲得博士學位。同年,他進入加州大學的SantaBarbara分校從事博士後研究。1989年底,他結束了博士後研究,與妻子餘曉帆一起到了SanJose的IBM繼續從事科學研究工作。1993年,張首晟被史坦福大學物理系聘為副教授。1995年,年僅三十二歲的張首晟以他出色的研究能力獲得了斯坦福大學物理系正教授的位置。

張首晟

人物經歷

張首晟1978年考取復旦大學。

張首晟

1983年獲德國柏林自由大學學士學位。

同年赴美國紐約州立大學石溪分校,師從著名物理學家楊振寧教授攻讀博士學位。

1987年獲物理學博士學位。

工作經歷

1993年任斯坦福大學物理系教授。

人物特寫

不得不說張首晟在某種意義上是一個“天才”——國中還沒畢業,就趕上恢復聯考,父親拿給他一套數理化自學叢書,讀了一個暑假,“試了一下”,他就考上了。

跟比自己大幾歲的高中朋友聊了幾句,他得出一個結論:“高中生懂的東西太簡單了。”在15歲那年,他“心安理得”地走進了復旦大學的課堂。

此後更是一發不可收拾。很快,這位笑稱不是“類似少年班溫室裏成長出來的學生”有了第二次嶄露頭角的機會:16歲時,國家開始公派留學生出國,他被選中派去德國柏林大學;接著,他來到美國投到楊振寧的門下攻讀物理學博士,32歲時,他被聘為斯坦福大學正教授,成為該校最年輕的終身教授之一。

2009年,張首晟入選 “千人計畫”,並被清華大學特聘為教授,開始為祖國效力。此後,張首晟日益受到國內媒體的關註。這時,人們發現,這位曾在2010年獲得歐洲物理獎、2012年獲得狄拉克獎、2012年美國物理學會的巴克利獎等多個國際大獎的科學家成長之路竟是如此之“順”!

“天賦?但激情更重要!”張首晟和媒體交談時有種天然的“坦誠”,正如他對中國青年報記者所說的,“從小到大,我基本都是由著自己的‘性子’來的”。

從來沒有從頭到尾把一本書讀完

張首晟由著“性子”幹的第一件事就是讀書,“狂讀書”。他說話常常被身邊的人形容為“跳躍式”的,“剛說完甲,覺得甲這一段沒啥意思,很有可能就跳到乙去了。”不過,了解他讀書方法的人對此就見怪不怪了。

這種方法,簡單說來,就是把書讀“薄”。

以他喜歡讀的《三國演義》為例,有3指厚的一本書在他那裏不到一周就“翻”完了。“絕大多數的內容我是不看的,”他的方法聽上去有些“偷懶”,隻有自己感到有意思的地方才會真正埋頭讀下去。巧合的是,這些“有意思的”,也大多是被人們稱之為精華的地方,比如他所精讀的“草船借箭”。

即便是教科書,也是如此。張首晟告訴記者,他在國小時基本上把“對自己人生影響較大”的書都讀完了,但從來沒有從頭到尾讀完過一本書。在他看來,讀書是一個了解思維方式的過程,不是吸納所有信息,而是有針對性地進行篩選。

人們通常會說,觀看影視訊息是一個被動接受知識的狀態,讀書則是一個主動的過程。這一點在張首晟那裏有一個新的解釋:讀書,讀的是前人智慧的結晶,本不是件創新的事情,讀書的順序是可以創新的。比如,一本書按照一、二、三、四的順序寫下來,讀者對前三章的內容已經有個大概了解,就沒必要再反復讀,可以直接跳到第四章精讀。

這樣的方法還有一個好處,在這位“天才”看來,如果第四章讀不懂,可以再返回去看前三章“找答案”,既有針對性,也節約時間。

這種讀書方法得益于那段被“放養”的日子。張首晟讀國小的時間幾乎和“文化大革命”重合,那時,“書”成了精神的奢侈品,他從家裏閣樓的書櫃“偷”出這些經典著作。但他讀書並不會“一讀就是半天”或是“熬夜看書”,“我看書沒有任何壓力,完全就是憑興趣”。

他最開始涉獵的圖書並非數學、物理,而是文學。至今他依然保留著小時候讀過的《紅樓夢》和《西方哲學史》。他說,從文學的書籍裏,可以看到雕塑的美和建築的美,而那些優美的詩句更像是一種壓縮的“美”——“信息的極端壓縮”,在很少的篇幅裏面描繪出偌大的風景出來。這些都在默默地影響著他,直至對科研題目的把握。

做科研要憑借最原始的動力

在近日召開的科協年會上,張首晟作為特邀嘉賓作了一個題為《創新在中國》的報告。在報告中,他專門談到讀書對他的影響。

張首晟

如果沒有讀過愛因斯坦和狄拉克,他可能不會提出拓撲絕緣體理論的材料實現方案,更不會因此獲得“狄拉克獎”——國際理論物理學領域的最高獎。

有同行這樣評價他的研究成果:張首晟的想法不僅得益于美學的熏陶,更受到前人的啓發。

張首晟至今還能清晰地描述出英國理論物理學家、量子力學的奠基者之一狄拉克預言正電子,給他帶來對物理世界的“興奮和神往”。

多年前,狄拉克建立一個量子力學的方程,其特別之處在于,既包括正能態,也包括負能態。狄拉克由此作出了存在正電子的預言,認為正電子是電子的一個鏡像,它們具有嚴格相同的質量,但是電荷符號相反。

這一探索的過程包括很多繁冗的步驟,不過,就思路而言,可以這樣簡單地解釋:對4開根,絕大多數人想到的結果就是“2”,而狄拉克卻想到了“-2”,因為兩個“2”相乘得“4”,兩個“-2”相乘同樣得4。

狄拉克的想法提出後的第4年,美國物理學家安德森在研究宇宙射線簇射中高能電子徑跡的時候,奇怪地發現強磁場中有一半電子向一個方向偏轉,另一半向相反方向偏轉,經過仔細辨認,這就是狄拉克預言的正電子。後續的實驗則全都印證了狄拉克預言的正確性。

這就是被科學界稱為最美的“對稱”研究思路。事實上,愛因斯坦的相對論也是這個思路。

張首晟

“這些就像通過數學的智慧預示了這個世界一樣,太美了!”張首晟也因此拜在楊振寧的門下,並希望得到愛因斯坦之美的啓示。

然而,進入到具體的科研過程,這種“美”似乎就有些“空中樓閣”了。事實上,剛開始去柏林讀書時,張首晟有過一段時間的“消沉”。那時,整個學界並不看好理論物理界的就業乃至對科學貢獻的前景,一些相關的研究人員也紛紛“逃離”到諸如電子信息等新興產業。

在面對物質與精神極大的矛盾時,他也困惑了。一次在德國大學城哥廷根旅遊,他來到德國科學家的墓地,張首晟開始問自己:“這一輩子要留下什麽?”

接著,他從這些科學家的墓碑上找到了答案。他發現,這些偉大科學家的墓碑十分簡單,除了名字、出生及死亡的日期,就隻有一個他們創造的“公式”。

從那以後,張首晟再也不去考慮“掙多少錢”的問題了。對自己的學生,他常說這樣一句話:“要做科研,就要憑借最原始的動力。”

人最可貴的是有好奇心伴隨一生

張首晟常常向自己的學生講起他的原始動力。“大家常問我,創新的靈感何在?隨著年齡的成長,知識也在成長,但是創意往往是在下降。因為知識越多,看到新生事物時,就總是想能不能用老套的辦法來解決。年輕人則不同,他們雖然知識不足,但創意很多。”

作為科學工作者,作為教授,張首晟認為知識傳授給大學部生,而他們則可以給自己提供很多新鮮創意,“這是一個雙贏的方法”。

從這個角度來說,張首晟十分感謝生命中“沒有高中的日子”:或許,正是刨去了“高中3年”這樣的一個知識積累的“真空期”,才給他留下更大的“想象”空間。

盡管不否認自己的成長經歷很特殊,不管是美國還是中國的教育體製都難以再造另外一個自己,但張首晟還是對中國的教育環境發展抱有很大的期待。

張首晟說,在哈佛大學,最近有一門針對大學部一年級學生的課程非常受歡迎,這門課叫做“把烹調解剖到分子”。有些學生可能覺得化學很枯燥,要背很多分子式,但可能因為喜歡美食和烹調,就會有很強的動機來上這門化學課,也許將來這名學生就會成為一名化學家。

張首晟這樣告訴自己的學生,“對一個人來說,最可貴的是要有好奇心伴隨一生”。

為了保持這種好奇心,張首晟還專門養成一個獨特的生活習慣——遊泳。在他看來,遊泳是最好的放松方式,就像科研工作中最需要的發散型思維一樣。同樣,在遊泳之後,他一定會去趟桑拿房,如同科研工作中所需要的專註,他選擇在思維開啟之後去集中想一件事,這時,很多靈感就會不自覺地“蹦出來”。

張首晟介紹說,大家對科學理解還不夠廣,需要有個更廣的理解。我們在判斷一家創業公司發展趨勢的時候,也是在判斷網狀情況下發展,這是有科學規律的。

榮譽記錄

1992年獲全球華人物理學會傑出青年科學家獎,1993年獲IBM研究部傑出創新獎。1999年張首晟受聘為教育部“長江學者講座教授”,2009年入選國家“千人計畫”,任清華大學高等研究院特聘教授。

張首晟

2011年9月獲香港求是科技基金會“求是傑出科學家獎”。

2011年入選美國藝術與科學院院士。

2012年榮獲美國物理學會Oliver Buckley獎,乃是凝聚態物理最高獎。

2012年8月榮獲聯合國教科文組織下屬的國際理論物理學中心“狄拉克獎”。

張首晟領導的研究團隊于2006年提出了“量子自旋霍爾效應”(Quantum Spin Hall Effect),將其基于晶片業未來提出的新構想——通過控製電子的自旋運動來降低能耗——在理論上完成了預言。2007年,這一理論預言被德國維爾茨堡大學實驗小組通過實驗證實。同年,張首晟領導的研究團隊提出的“量子自旋霍爾效應”被《科學》雜志評為2007年“全球十大重要科學突破”之一。

這項研究計畫獲得美國能源部與國家科學基金會基金支持,因為是華人,張首晟也多了與亞洲的聯系。他透露,量子自旋霍爾效應是新科技研究發向,未來將有機會與中國大陸、台灣與香港地區的學術機構合作發展。  

2010年7月,張首晟還因在拓撲絕緣體研究方面的卓越貢獻榮獲德國“古登堡研究獎”。

歐洲物理獎

華沙時間2010年9月1日,“歐洲物理獎”在波蘭華沙頒獎,華人物理學家、斯坦福大學教授、清華大學高等研究院教授張首晟獲此殊榮。因在“量子自旋霍爾效應”理論預言和實驗觀測領域的開創性貢獻,張首晟與4位歐美科學家共同榮獲2010年“歐洲物理獎”,他也是獲得該獎項的首位華人科學家。“歐洲物理獎”是國際著名的物理學獎項,由歐洲物理學會頒發。

基礎物理學獎

2013年基礎物理學獎當地時間20日晚在日內瓦揭曉,英國著名物理學家斯蒂芬·霍金和來自歐洲核子研究中心的7位科學家榮獲年度特別獎,美國斯坦福大學教授、美籍華裔物理學家張首晟獲物理前沿獎並入圍年度基礎物理學獎。

張首晟在接受媒體採訪時表示,物理學是最基礎的學科,也是推動社會進步的原始動力。“我想,創辦這個獎的意圖就是要激發年輕人對基礎研究的興趣。因為回顧整個人類的發展歷史,我們可以想到很多偉大的軍事家、偉大的政治家,但是對社會有最大推動力的還是對生產力的推動力,而生產力的推動力完全來自于科學發現。”

基礎物理學獎由俄羅斯商人尤裏·米爾納于2012年7月設立。與著名的諾貝爾物理學獎不同,基礎物理學獎並不特別要求對理論進行實驗求證,更註重獎勵那些對物理學進步有推動作用的發現和預言。基礎物理學獎最高獎金額為300萬美元,幾乎相當于諾貝爾獎的2.5倍,因此也是當今世界獎金最為豐厚的物理學獎項。

科研成果

1、張首晟主導項目獲選2007重大科學發現

華裔教授張首晟領導團隊提出“量子自旋霍爾效應”新理論研究,被納入《科學》雜志2007重大科學發現之一。(美國《世界日報》)

據美國《世界日報》報道,權威雜志《科學》選出2007年重大科學突破發現(Breakthrough of the Year),第一名為“人類基因多樣性”(Human Genetic Variation)。由斯坦福大學物理系華裔教授張首晟(Shoucheng Zhang)領導團隊提出“量子自旋霍爾效應”(Quantum Spin Hall Effect)新概念發現,則與其它九項科學發現並列第二。此亦為唯一華裔領導的研究計畫項目。

業界普遍認為,摩爾定律(Moore's Law)將于2015年時,因為電腦晶片過熱問題而失效,學術界一直進行研究,是否有其它創新方法或概念改變而持續定律。張首晟領導的研究團隊提出“量子自旋霍爾效應”,由合作伙伴、德國Wurzburg大學實驗室小組進行實驗,確認量子自旋霍爾效應利用電子的自旋性質、電流在邊緣流,創造新電路而不會產生太多熱能。

幾年前開始,張首晟便與團隊自系統出發,在半導體系統材料不變,而改變原理情況下,可留下過去20幾年的半導體產業投資,僅在更換不同材料下重新開始投資,在半導體系統找到新的工作原理。

他指出,除了業界,學術界也不斷思考,特別是從物理學來說,如何能改善晶片設計過程。學術界有急迫使命感如何用其它技術或概念取代CMOS,“量子自旋霍爾效應獲選為2007年全球重大科學發現之一,是項榮譽,研究團隊受到鼓舞”。

量子自旋霍爾效應由張首晟領導的研究團隊提出預估理論,再由德國Wurzburg大學實驗室小組進行實驗。擁有紐約州立大學石溪分校博士、為諾貝爾獎得主楊振寧的得意門生的張首晟說,目前新理論套用正值第二步的實驗室,也是重要階段,未來可能直接套用在工業界晶片製造過程。

這項研究計畫獲得美國能源部與國家科學基金會基金支持,因為是華人,張首晟也多了與亞洲的聯系。他透露,量子自旋霍爾效應是新科技研究發向,未來將有機會與中國大陸、台灣與香港地區的學術機構合作發展。

張首晟與國內科學家在拓撲絕緣體領域廣泛合作,被評為2010年度“中國科學十大進展”的首位。與清華大學薛其坤院士,科學院物理所方忠研究院等合作者獲2011年求是傑出科技成就集體獎。

2、張首晟推導出"大統一場理論"線性方程

長期以來,世界物理學界希望有一天能建立一個可解釋所有自然界現象的“大統一場理論”。這一構想最早是由愛因斯坦提出的。當時,不少科學家認為這個構想純屬異想天開,但也有許多科學家多年來一直致力于這項理論的研究。

美國斯坦福大學華裔科學家張首晟教授和他的學生胡江平所開展的研究工作,為建立“大統一場理論”提出了一個新方向,這很可能找到一種方法,使表面上看去互不相容的量子力學和廣義相對論相互統一起來。張首晟的有關研究成果刊登在將于10月26日出版的《科學》雜志上。

為進一步了解張首晟的研究成果,記者通過電話採訪了遠在美國西海岸的張首晟。

張首晟介紹說,他是從固體物理的量子霍爾效應出發,來解決“大統一場理論”問題的。量子霍爾效應發生在二維空間,他利用量子液體模型將量子霍爾效應擴大到4維空間。

愛因斯坦的狹義相對論是解釋電磁力的,而愛因斯坦的廣義相對論是解釋引力的。張首晟告訴記者:“此前已有人完成將量子力學與狹義相對論相互統一研究。我們的研究工作是將量子力學同廣義相對論相互統一起來。”為做到這一點,張首晟同他的同事從量子力學出發進行推導。

在愛因斯坦廣義相對論中的引力方程有兩部分:一是線性方程,二是非線性方程。目前,張首晟等人已推導出線性方程,下一步若推導出非線性方程,則意味著“大功告成”,即將現代物理學的三大支柱———量子力學、狹義相對論和廣義相對論統一起來,從而建立起“大統一場理論”。但張首晟強調說:“要推導出非線性方程,還是會遇到很多預料不到的困難,特別是一些數學問題。”

記者問:“許多科學家都在努力進行這一研究工作,但這又是十分困難的工作,你什麽時候想到做這一理論研究工作的?”

張首晟回答說:“我目前是清華大學長江計畫的訪問學者,去年7月回到清華大學講課,並開辦了一個學習班以邀請優秀科學家來講學。就在學習班期間,我想起要完成這件有趣的研究工作。”

張首晟教授的主要研究領域包括高溫超導、量子霍爾效應、自旋電子學、強關聯電子系統等,他的代表性工作為高溫超導的SO(5) 理論、4維量子霍爾效應、室溫無耗散自旋流等等,在國際相關研究領域裏有較大的影響,迄今為止,他在Science雜志上發表學術論文8篇,在Phys. Rev. Lett. 雜志上發表學術論文50餘篇,其論文被他人引用15000 多次。

人物軼事

迄今為止發現的最早的一張復旦大學畢業文憑

這張“卒業文憑”的主人叫張彝,是張首晟教授的祖父。張彝,字則民,江蘇高郵人。1906年考入復旦公學,是復旦建校後的第二屆學生,1909年畢業,同時畢業的共16人。文憑上清晰地記錄著張彝先生的國文、法文、倫理、化學、三角、體操等12門功課的畢業考試成績,總平均分為80分8釐,在校三年他的總平均分達到77分7釐。監督(校長)高鳳謙和教務長李登輝簽發了該證書。

2004年冬,張首晟先生來復旦講學時透露,伯父在清理祖父遺物時,發現了這張最早的復旦文憑,2005年時值復旦百年華誕,張首晟先生把珍藏的“寶物”捐獻給了母校,目前已陳列于復旦大學校史陳列館。

人物評價

對他來說,獲得諾貝爾獎隻是時間問題。(他的導師楊振寧先生評價

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