張首晟在斯坦福大學的中國同事，已經(jīng)備了一瓶珍藏了半個世紀的茅臺酒，隨時準備為他獲諾獎時舉杯相慶。早在5年前，楊振寧就說，張首晟獲得諾貝爾獎只是時間問題。

7月20日，張首晟和團隊在《科學》雜志上發(fā)表論文，證實首次發(fā)現(xiàn)手性馬拉約納(Majorana)費米子，并命名為“天使粒子”，結束了物理學界整整80年的苦苦追尋。

這一發(fā)現(xiàn)震驚了物理學界，張首晟再次被推上了諾獎備選名單。此前，他已經(jīng)獲得了除諾獎外幾乎所有的物理學科頂級獎項。

作為美國人文和科學院院士、美國藝術與科學院院士、中科院外籍院士和“千人計劃”專家，張首晟在接受廣州日報記者的采訪中表示，獲諾獎的普遍期待并未對他產(chǎn)生壓力，他更關心的是，青年科學家應該保持對自然之美的好奇，以及探索的原動力。 

文/廣州日報全媒體記者楊逸男 實習生宋昕航

“科學發(fā)現(xiàn)有時是階段性的。可能很長一段時間你都成就平平，但突然就會有個大的跳躍，接著就是一個更大的跳躍?！遍L期走在理論物理學研究前沿的張首晟，把科研看得很透徹，“天使粒子”的發(fā)現(xiàn)，對他意味著一個里程碑式的跳躍。

發(fā)現(xiàn)神秘粒子

要了解這次發(fā)現(xiàn)的重大意義不難，張首晟善于用最簡單的語言來解釋科學。

自然界的物質(zhì)都由基本粒子組成，分為玻色子和費米子。有的粒子擠在一起也不會擦槍走火，被稱為玻色子。而不愛扎堆、各走各路的則是費米子，如支持手機和電腦運作的電子。

1928年，物理學家狄拉克提出宇宙中每個基本粒子都有反粒子。1937年，意大利物理學家馬拉約納進一步地進行理論預測，在費米子中可能存在一種粒子，是自己的反粒子。從此，馬拉約納費米子與磁單極、暗物質(zhì)、引力子等進入神秘粒子表單，令幾代科學家孜孜以求。而“正反同體”粒子的預言，伴隨著馬拉約納的突然消失更加神秘。

有趣的是，張首晟有次夢見了馬拉約納?！耙驗樘鞕C泄露，他被天使帶走了。”張首晟會心一笑。

在物理學歷史上，諾獎的桂冠多次落在粒子物理研究的重大突破上，中子、正電子、J粒子(丁肇中)、中微子等的發(fā)現(xiàn)者均獲得了諾獎。

2010年至2015年，張首晟的理論物理學團隊連續(xù)發(fā)表了三篇論文，預言了怎樣找到馬拉約納費米子以及哪些實驗信號能夠作為證據(jù)。以王康隆、何慶林等為首的華人實驗團隊在隨后的一年里反復驗證了近30次后，整個團隊向《科學》雜志提交了論文初稿，而后又經(jīng)歷了長達一年的審稿期。

最終發(fā)表的論文標題為“在量子反常霍爾絕緣-超導結構中發(fā)現(xiàn)手性馬拉約納費米子模式”，即張首晟命名的“天使粒子”。最關鍵的就是張首晟提出的材料和驗證方式。

為科學之美奉獻一生

張首晟1963年出生于上海，從15歲起就開始了物理學的漫漫征程。

1978年，初中還沒讀完的張首晟在父親的鼓勵下，花了一個暑假看完了17冊的《數(shù)理化自學叢書》，然后直接參加大學入學考試。不鳴則已一鳴驚人，他考上了復旦大學物理系，一年后他趕上了國家公派留學機會，進入柏林自由大學，1983年獲學士學位后，張首晟赴美國紐約州立大學石溪分校，拜楊振寧為師，年僅33歲，他就成了斯坦福大學的終身教授。

這位旁人眼中的天才說，他的成功是由“激情”“原動力”鋪墊而成的。

在德國留學期間，理論物理學“不好找工作”的前景讓不少年輕的學生們發(fā)愁，很多人最后改變了研究方向。那段留學歲月，張首晟來到一片科學家的公墓。墓碑上除了生卒年月，都記載了一個物理學公式，這讓張首晟深為感動。感慨于愛因斯坦發(fā)現(xiàn)E=MC2(質(zhì)能守恒定律)的大道至簡，他決定為科學之美奉獻一生。

烤肉獲得的靈感

研究之初，張首晟也遭遇過研究方向走彎路、申請研究經(jīng)費被拒、耕耘成果不被接受的常態(tài)?！按蟀肷际遣淮_定的，有時孤獨甚至絕望?！敝钡?006年，他在理論上預言了拓撲絕緣體，研究成果才為學界廣泛關注。

這正是美劇《生活大爆炸》中謝爾頓博士炫耀的前沿研究。而張首晟發(fā)現(xiàn)拓撲絕緣體的靈感過程卻是在一次聚會烤肉中得來的。

“吱吱的聲音炸響，烤肉的最高境界是外熟里生。 我一下子想到，有種材料是里面絕緣，外面導電的?！遍L期觀察生活和自然的習慣為他帶來了“阿基米德時刻”。

此前，人們認為物質(zhì)只有導體和絕緣體之分，拓撲絕緣體成了第三類物質(zhì)，張首晟的預言，一年后即被實驗證實。

順著拓撲絕緣體的深入研究，張首晟又發(fā)現(xiàn)了量子自旋霍爾效應：芯片中雜亂無序運動的電子可以在一定條件下實現(xiàn)規(guī)則運動，就像在高速公路上各行其道，從而使能量耗散很低。最常見的實際應用，就是解決手機和電腦的發(fā)熱問題。

不久，他又和中國國內(nèi)研究團隊在錫烯研究上取得了重大突破，這或可取代電子元件常用的晶硅和石墨烯。張首晟笑著說，“以后硅谷可能就要改名為錫谷了?！?/p>

他也因此獲得了物理學界三大最高獎項——2010年的歐洲物理學獎、2012年的巴萊克獎和狄拉克獎。

“天使粒子”的發(fā)現(xiàn)，就建立在張首晟之前的這些重要研究上。它由張首晟提出并由實驗組驗證，存在于磁性拓撲絕緣體薄膜(量子反常霍爾效應薄膜)與超導體組成的混合系統(tǒng)中。這一發(fā)現(xiàn)的最大應用，就是“前途無量”的量子計算機。

赤子丹心

對于“天使粒子”的發(fā)現(xiàn)，張首晟說：“要感謝祖國現(xiàn)在的強大。四個實驗室有三個是大陸背景。我們經(jīng)常有交流的機會，所以促成了這次合作的可能。”

張首晟很重視華人青年科學家的交流。1999年，受楊振寧邀約，張首晟成為清華大學特聘教授。2009年，他正式加入“千人計劃”。常年往返中美兩地承擔科教，他在斯坦福帶的很多學生都來自清華、北大。

為促進中美之間科技成果的共同孵化，他成立了風險投資公司，取名“丹華資本”?！暗ぁ币徽Z雙關，既代表“赤子丹心”，也指斯坦福(又譯史丹福)；“華”則明指中華。

對自己的兩個孩子，張首晟并沒有刻意引導他們往物理學方向發(fā)展，而會培養(yǎng)他們的好奇心。兒子張晨波曾獲國際物理奧林匹克金牌，現(xiàn)已從哈佛大學畢業(yè)，女兒如今也進入了斯坦福大學。張首晟寄望，中國的青年科學家，當志存高遠。

在收到僅存的牛頓《自然哲學的數(shù)學原理》英文原版時，張首晟曾寫下這樣一段話：“既然無法抵擋她萬有的吸引，為何不遨游星際而時時相伴？既然為量子因果而糾纏綿綿，為何不心心相印寄在水一方？既然追不上她永恒不變的步伐，為何不對鏡賞花以光傳因緣……”

對話：“天使粒子”將造福人類

廣州日報：馬拉約納費米子前人也有實驗。你的團隊在研究中有何創(chuàng)新？

張首晟：以前的實驗得到的并不是一個粒子，和我們不同。另外，我們做了非常好的實驗設置。不需要把參數(shù)調(diào)到恰到好處才能發(fā)現(xiàn)這個現(xiàn)象，這個非常難。我們的實驗預言是，磁性拓撲絕緣體薄膜與超導體混合系統(tǒng)做出來之后，不需要調(diào)太多的參數(shù)，馬拉約納費米子自然而然就會出來。還有，我們給出了一個非常精準的平臺，也就是半整數(shù)電阻的量子平臺。這非常重要。

最難是找到合適材料

廣州日報：實驗研究中遇到的最大困難在哪里？

張首晟：我?guī)ьI的是理論組，給實驗科學家提供建議。整個工作都比較順利。

最大的困難是材料難找。整個實驗組前后共篩選了近4000種材料。我提出的磁性拓撲絕緣體和超導體，兩個單獨找沒什么問題，但是疊加放在一起不容易，兩個材料會互相影響。實驗團隊花了幾個月才成功。

廣州日報：研究發(fā)現(xiàn)“天使粒子”的過程中？

張首晟：我們共發(fā)表了4篇文章，前兩篇非常重要，尤其是第一篇就建立了這個實驗的基礎，運用量子材料。這是我和我們組的學生一起討論產(chǎn)生的想法。第二篇是講具體的實驗數(shù)據(jù)是什么，我記得也是在幾次會議后我和學生們討論出來的。我們是一步步介紹實驗該怎么做。

未來將應用于量子計算機

廣州日報：你非常擅長用類比來解釋一些科學問題。能否用最簡單的語言解釋一下此次科學發(fā)現(xiàn)？

張首晟：一個粒子等于自己的反粒子，翻譯成數(shù)學公式，就是相當于1=-1。 我們把-1移到左邊，也就是證明2=0。這個可不可能呢？

在凝聚態(tài)物理中，有個超導現(xiàn)象，電子是成對的，成對之后進入量子的基態(tài)里。電子是一對，跑到基態(tài)，基態(tài)是能量最低級的量子態(tài)，相當于0 ，在某種意義上就是證明2=0的概念。

在以往的量子反?；魻栃獙嶒炛校{(diào)節(jié)外磁場，量子反?；魻栃∧こ尸F(xiàn)量子平臺，對應1、0、-1倍基本電阻單位。當把超導體置于量子反?；魻栃∧ど蠒r，鄰近效應會出現(xiàn)新的量子平臺，對應1/2倍基本電阻單位。這半個電阻單位來源于馬拉約納費米子沒有反粒子，某種意義上就可以視為半個傳統(tǒng)粒子。這多出來的半整數(shù)量子平臺就是發(fā)現(xiàn)的有力證據(jù)。

未來它的主要應用是量子計算機，但過程會非常漫長。

對大自然好奇最重要

廣州日報：楊振寧認為你“獲諾獎只是時間問題”，你有何感想？

張首晟：工作需要好奇心驅(qū)動，這些(名利)不要想太多。導師的話對我沒什么壓力。獲得諾貝爾物理學獎的人不多，每年也就是三四個吧。

獲獎不是一個壓力問題?，F(xiàn)在有個現(xiàn)象，每個重大的發(fā)現(xiàn)出來，人們總是問兩個問題，這個發(fā)現(xiàn)有用嗎？這個東西能不能得諾獎？我覺得不應該只看到這兩方面，還要更深刻地看到科學發(fā)現(xiàn)本身的重要性在哪。每一次發(fā)現(xiàn)都告訴我們，大自然的每一個組成部分都很重要。

廣州日報：此次發(fā)現(xiàn)基本由華人科學家團隊完成，你隨后也在北京宣布了這個發(fā)現(xiàn)。如何看待華人科學家的傳承精神？

張首晟：我們團隊有一個發(fā)布日期。首先是在斯坦福發(fā)布，然后在北京。這次發(fā)現(xiàn)是理論和實驗團隊合作的巨大成功。團隊成員在美國工作，但都是華人科學家，大家都緊密合作、互相鼓勵。

廣州日報：你每年往返中美兩地做教研和科研合作，對中國的青年科學家有什么期待？

張首晟：這個是我最想講的。大家做科學研究，最大的動力應該是對大自然的好奇心。結合整個量子物理學的發(fā)展來看，最開始我們發(fā)現(xiàn)大自然有正有反，有陰有陽。然后有科學家就認為基本粒子也應該是這樣的，后來就發(fā)現(xiàn)了反粒子。又有科學家想到有沒有自身就是反粒子的。他們對這些問題都非常好奇。他們一開始都沒想諾獎，對大自然好奇的驅(qū)動力，是科學家最原始的動力。