天才物理学家张首晟 他的贡献不止“天使粒子”

2018年12月1日，中国著名物理学家、斯坦福大学生命教授张首晟逝世，享年55岁。

根据他家人发布的讣告，张首晟一直在与抑郁症作斗争。当消息传来时，没有人愿意相信。他的许多同事甚至认为这一定是个恶作剧，是最不可能的消息。

(张首晟家人发布的讣告截图)

谁是张首晟？他做出了什么贡献？接下来，我们将通过简单的梳理带你认识这位杰出的中国物理学家。

“天使粒子”的发现使他进入了公众视野。

在小说《天使与魔鬼》中，美国作家丹·布朗创造了一种对称的字体。这个词可以写在脸的两边，而且是同一个词。

(小说《天使与魔鬼》中的界限图)

自然界中也有基本粒子，它们的性质类似于二维图。科学家称这种粒子为“可能不安全”。它还有一个更广为人知的名字——“天使粒子”。张首晟是这个名字的创始人。

Mayonnafermion是基本粒子之一，它是物质的最小和最基本的单位。物理学家认为基本粒子可以分为两类:费米子和玻色子，其中费米子形成物质并通过交换玻色子相互作用。此外，物理学家还认为费米子和玻色子之间存在对称性，所有费米子中都存在反粒子。

例如，我们在高中时了解到电子带负电荷，然后物理学家发现自然界中也有一种粒子质量与电子相同，但带正电荷。物理学家称这个带正电的电子为正电子，电子和正电子是彼此的反粒子。

那么，有没有一个粒子的反粒子就是它自己？1937年，意大利物理学家马荣纳首次提出了这样一个猜想，因此这个粒子被命名为马荣纳费米子。然而，科学家已经有80多年没有发现这样传奇的粒子了。

直到2017年7月，何庆林、张首晟和其他中国科学家共同发表的一篇论文介绍了他们共同“发现”梅农纳费蒙的研究成果。这里引用“发现”的原因是这个发现没有被直接观察到，但是在他们的实验中观察到的现象似乎只能用这个准粒子来解释。作为该论文的交流作者之一，张首晟率先向国内媒体介绍了这一成就。结果，随着新闻在屏幕上的传播，张首晟本人也进入了公众的视野。

张首晟将他们“发现”的粒子命名为“天使粒子”。灵感来自我们刚刚提到的小说《天使与魔鬼》，因为反物质，一种具有巨大能量的物质，在小说中有描述。当正负物质相遇时，它们立即湮灭，释放的能量极具破坏性。科学家最初研究反物质是为了揭开宇宙起源的秘密(天使的一面)，但从未想到它会被用来毁灭地球(魔鬼的一面)。然而，张首晟相信在他们“发现”的“量子世界”中，只有天使而没有恶魔，所以他们是“天使粒子”。

然而，这一发现的第一作者、另一位领导这项研究的中国科学家何庆林在接受媒体采访时表示，蛋黄酱费米子的正负同伦更类似于中国道教的阴阳八卦，因此称之为“太极粒子”更为恰当。

撇开粒子名称的差异不谈，找到蛋黄酱费米子有什么意义呢？

正如我们在采访周齐林院士时提到的，自然界中有一种现象类似于我们的右手和左手。相同的组成和结构表现出完全不同，甚至完全相反的特征和功能。这种现象被称为手性。张首晟等人发现的Mayonnafermion就是这样一种手性粒子。

这种手性可以简单地理解为粒子仅在一个方向上运动，并且可以用于实现低能耗的信息传输和处理。目前，量子计算机制造面临的最大障碍是量子比特信息容易受到环境噪声的干扰。如果每个量子位信息由两个相距很远的“天使粒子”存储，背景噪声不会损害它们，它们携带的信息也不会丢失。因此，Mayonnafermion是制造量子计算机的最佳选择。

他对凝聚态物理的两个重要贡献

“天使粒子”的发现只是张首晟学术成就的冰山一角。他对凝聚态物理的真正贡献在于两点。一个是量子自旋霍尔效应的发现，另一个是拓扑绝缘体的发现。

在之前对薛其昆院士的采访中，薛院士介绍了量子反常霍尔效应，那么什么是量子自旋霍尔效应呢？它和量子反常霍尔效应有什么区别？

在接受媒体采访时，张首晟曾这样描述他的发现:“总的来说，我们发现了电子运动的新规律。电子运动最初是混乱的，但现在我们可以让电子运动像高速公路上的汽车一样，分成不同的车道，每个车道都有自己的方式，而不会相互干扰。简而言之，它使电子的运动更加有效，并且不消耗太多能量。”

2007年，张首晟团队提出的“量子自旋霍尔效应”被《科学》杂志评为2007年“世界十大科学突破”之一。张首晟发现的量子自旋霍尔效应与薛院士介绍的量子霍尔效应有一些共同之处，但并不完全相同。两者之间最大的区别是量子自旋霍尔效应不需要外部磁场。

说到量子自旋霍尔效应，什么是拓扑绝缘体？

绝缘体应该是我们大家都熟悉的。它们是一种不易导电的物质。拓扑学是一个非常抽象的数学原理。两者合成的一个词是什么意思？这实际上是一种新的物质状态，具有非常特殊的量子特性，不同于传统意义上的“金属”和“绝缘体”。它是一种具有内部绝缘和导电界面的材料。

这是近年来凝聚态物理的一个热点研究方向。一些物理学家在接受媒体采访时表示，拓扑绝缘体场的特征之一是理论指导实验，一些物理学家以前也这样做过。然而，真正的理论指导实验是由张首晟和他的团队首先开始的。

2014年，由于在拓扑绝缘体领域的开创性贡献，张首晟与两位科学家分享了2014年“富兰克林物理学奖”。富兰克林物理学奖每年颁发一次给在物理和技术领域做出突出贡献的人。在此之前，杨振宁，一位著名的中国物理学家和张首晟州立大学石溪分校的研究生导师，获得了奖牌。

生活中唯一的不完美可能是还没有获得诺贝尔奖。

20岁时，从开始研究凝聚态物理，并听从杨的建议。他获得了欧洲物理学奖、美国物理学会巴克莱奖、国际理论物理中心狄拉克奖、尤里基础物理学奖和富兰克林奖章-&hellip。& hellip除了诺贝尔物理学奖，他基本上赢得了所有的重量级物理学奖。在杨振宁看来，张首晟是最有可能获得诺贝尔奖的中国人。

除了科学家的身份，他还是丹华资本的创始人。近年来，他频繁往返于中美之间，致力于促进两国的科技交流。知情人士透露，不久前，他刚刚从*获得一笔巨额投资，用于超级芯片制造领域的研究，并准备在上海建立一个芯片实验室。

除了事业蒸蒸日上，张首晟的家庭生活也很幸福。他的妻子和他是儿时的朋友，他的孩子也很优秀。他的儿子在哈佛学习物理，他的女儿刚刚进入斯坦福大学。

回顾他的一生，张首晟可以被称为现实生活中的胜利者。然而，正是这样一位每个人都钦佩的科学家以这种方式离开了。也许正如研究界的一位朋友所说，“上帝不想被发现太多的秘密，所以他带走了最有可能破解一些秘密的人”。

愿死者安息

中国物理学家张首晟:“天使粒子”开启基础物理新世界(优酷网)