或许因为自己学的是物理专业的缘故，近些年一直在关注张首晟的物理研究，心中也暗暗期盼有朝一日他能在诺贝尔物理学奖上有所斩获，没想到近日却获知，年仅55岁的张首晟于12月1日意外去世。刚开始我还以为是谣言，可是很快，各种信息源铺天盖地的报道随之而来，确认了这件事情的真实性。这是一个令人痛心的消息，也是物理学家巨大的损失。

 张首晟是美国华裔科学家、斯坦福大学物理系、电子工程系和应用物理系终身教授，同时还是科学家杨振宁的弟子。其主要贡献包括对拓扑绝缘体、量子自旋霍尔效应、自旋电子学、高温超导等领域的研究。2007年，张首晟发现“量子自旋霍尔效应”被《科学》杂志评为“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，张首晟已包揽物理界所有重量级奖项，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。已经拿到了物理学的最高三大奖的张首晟，曾被导师杨振宁评价称：“他拿诺奖只是时间问题。”

 张首晟对物理学的主要贡献有：

 1．发现量子自旋霍尔效应

 张首晟曾经打过一个比方：电子在芯片里的运动，仿佛一辆辆跑车在集市行驶。它们跑得杂乱无章，横冲直撞，路线也是弯弯曲曲；于是不断碰撞，消耗能量，产生热量。笔记本工作时间一长，你能感觉它在发烫，就是这个道理。

 但在极低温和强磁场条件下，电子可以保持有秩序的运动状态。那么，能不能在正常条件下，让电子像高速公路上的汽车一样，在单向车道上按照规则运行？张首晟提出了量子自旋霍尔效应的理论预言。2007年，德国维尔茨堡大学的实验室确认了量子自旋霍尔效应，并且在碲化汞半导体材料上实验成功。

 当电子不再横冲直撞，能量损耗就能大大降低。这为制造新型的、低功耗自旋电子计算设备提供了一种可能性。十年前，张首晟在接受科技日报记者采访时就表示，他希望在通常的半导体硅材料上实现这一效应，未来5—10年这一效应可能直接应用在芯片产业上。而解决了散热问题，降低了晶体管能耗，摩尔定律的寿命能够延长。

 2．提出拓扑绝缘体理论

 初中物理知识告诉我们，材料按照导电性质的不同分为导体和绝缘体。拓扑绝缘体的体内与人们通常认识的绝缘体一样，是绝缘的，但是在它的边界或表面总是存在导电的边缘态，这是它有别于普通绝缘体的最独特的性质。这样的导电边缘态在保证一定对称性的前提下是稳定存在的，而且不同自旋的导电电子的运动方向是相反的，所以信息的传递可以通过电子的自旋，而不像传统材料通过电荷来传递。也就是说，拓扑绝缘体因为电子运动“各行其道”，可以做到内在绝缘，表面导电。张首晟认为，这将成为一种取代半导体的新材料。

 张首晟对这种特殊的材料有很大的预期：“等我们的科技实现之后，你的手机一个星期或一个月才需要充一次电。”今年11月，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心教授王兵和副教授赵爱迪研究团队与清华大学助理教授徐勇、教授段文晖以及张首晟合作，成功制备出具有纯平蜂窝结构的单层锡烯，并结合第一性原理计算证实了其存在拓扑能带反转及拓扑边界态。锡烯是一种理想的大能隙二维拓扑绝缘体，有望实现室温量子自旋霍尔效应，在拓扑电子学器件应用方面具有重要的意义。

 当然，锡烯目前主要停留在实验室阶段，离应用量产还有距离。张首晟在2017年也表示，希望未来5到10年拓扑绝缘体能够走向工业化。

 3．发现“天使粒子”

 狄拉克是20世纪最伟大的物理学家之一，他在物理学方面有很多贡献，其中之一就是预言了所有粒子都有反粒子，比如电子有正电子，质子有反质子，等等。

 1937年，有一个叫做马约拉纳（Majorana）的理论物理学家出于好奇，提出了这样一个问题：世界上会不会有一些粒子并没有反粒子？他后来果然找到了一个方程——Majorana方程，该方程奇妙地描写了有一种粒子没有反粒子，或者它自己就是自己的反粒子。但他的文章发表之后没人理他，因为所有的粒子的反粒子都找到了。马约拉纳感到自己的人生非常失落，于是在意大利的一个港口城市上了一艘渡轮，本来想去西西里岛，但是他从来没有去过，人也因此消失了。这就成了物理学的两大迷：一个是马约拉纳所说这种粒（现称之为Majorana费米子）是否存在；另一个就是马约拉纳到哪去了，是否因为泄露天机就被天使叫去了？

 2010年的一天，张首晟想到，既然基本的粒子就像硬币一样有正反面，而Majorana粒子只有一面，因此它的导电率是否也是通常粒子的一半？于是他的理论小组和另外一个实验小组紧密合作，设计了一个实验装置来观察这一现象，并获得了铁证如山的数据。2017年7月，张首晟团队在《科学》杂志上公布了这一重大发现，宣告在80年后，他和他的团队发现了手性马约拉纳（Majorana）费米子的存在，同时也证明了存在一种比量子还小的单位，这将对现在的量子理论带来巨大的改变。张首晟将其命名为“天使粒子”。

 “天使粒子”的发现，将对量子计算带来突飞猛进的改变。就在12月6日，合肥本源量子计算科技有限责任公司宣布，该公司研制的中国首款完全自主知识产权的量子计算机控制系统在合肥诞生。

 祝愿张首晟在天国安详！更希望他的团队在今后有更多的原创性成果涌现。