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秦陇纪 2010 数据简化 DataSimp 数据科学资料库
请关注“数据简化 DataSimp、科学 Sciences、知识简化”微信公众号!4 时 55 分 57 秒 2018 年 12 月 9 日星期日
第 1 页 共 28 页
Sciences208拓扑绝缘体、量子自旋霍尔效应、天使粒子和量子计算机,张首晟科普经典等及简历SP20181206ThuQinDragon.docx
拓扑绝缘体、量子自旋霍尔效应、天使粒子和量子计算机,张首晟科普经典等及
简历(公号回复“张首晟”下载PDF资料,欢迎转发、赞赏、支持科普)
秦陇纪
简介:拓扑绝缘体、量子自旋霍尔效应、天使粒子和量子计算机,张首晟科普经典等及简历。欢迎转发、赞赏、支持科普,公号
回复“张首晟”文末“阅读原文”可下载33k字24图28页PDF资料。蓝色链接“科学Sciences”关注后下方菜单项有文章分类页。作者:秦陇
纪。来源:新华网/科学网/百度百科/等报道/数据简化社区/秦陇纪微信群聊公众号,引文出处附参考文献。主编译者:秦陇纪,数据简
化DataSimp/科学Sciences/知识简化新媒体创立者,数据简化社区创始人OS架构师/C/Java/Python/Prolog程序员,IT教师。每天大量中英
文阅读/设计开发调试/文章汇译编简化,时间精力人力有限,欢迎转发/赞赏/加入支持社区。版权声明:科普文章仅供学习研究,公开
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目录
拓扑绝缘体、量子自旋霍尔效应、天使粒子和量子计算机,张首晟科普经典等及简历(27978 字) ................................ 1
A 从拓扑绝缘体、量子自旋霍尔效应到发现“天使粒子”(9467 字) ............................................................................. 1
1.天才之路,从阁楼的孤独到科学的辉煌 .............................................................................................................. 2
2.“天使粒子”与量子计算机比特器件 ....................................................................................................................... 6
3.教学和投资创业,心系祖国 .................................................................................................................................. 9
B 大数据时代感受人文和科技的跨界之美(12532 字) ................................................................................................. 11
1.张首晟:为吴军著作《文明之光》所的序言 .................................................................................................... 12
2.张首晟:个人数据完全由个人拥有 .................................................................................................................... 15
3.张首晟:区块链技术是互联网世界新的分合转折点 ........................................................................................ 15
4.美国华裔科学家张首晟意外去世 ........................................................................................................................ 17
C 美国华裔物理科学家张首晟 Shou-Cheng Zhang 简历(5292 字) .............................................................................. 19
1.人生经历(▪求学经历▪科研经历▪创业经历) ......................................................................................................... 20
2.研究成就(▪研究领域▪学术贡献▪所获荣誉) ......................................................................................................... 21
3.家庭成员 ................................................................................................................................................................ 23
4.人物轶事(▪天才神童▪跳跃读书) ........................................................................................................................... 24
5.学界评价 ................................................................................................................................................................ 25
6.惋惜逝世 ................................................................................................................................................................ 26
参考文献(4025 字) ................................................................................................................................................................... 26
Appx.数据简化 DataSimp 社区简介(835 字) ........................................................................................................................... 27
拓扑绝缘体、量子自旋霍尔效应、天使粒子和量子计算机,张首晟科普经典等及
简历(27978字)
科学Sciences导读:1928年,英国物理学家保罗·狄拉克预言,每一个基本粒子都有对应的反粒子。几年后,科
学家在宇宙射线中发现了电子的反粒子正电子,验证了这一预言。1937年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳预言
,自然界中可能存在一类特殊粒子,它们的反粒子就是自身,这种正反同体的粒子被称为马约拉纳费米子。但是,
马约拉纳费米子存在的证据一直未被发现,它和中微子、希格斯—玻色子等一起,成为理论早有预言但长期无法验
证的粒子。2017年,美国华裔物理科学家、杨振宁学生张首晟团队终于找到了它存在的证据——揭示正反世界的“
天使粒子”。而天使粒子是解决量子计算机重大科技问题的关键。他极有可能获诺贝尔奖。
但2018年12月1日他抑郁症意外离世,令人极为惋惜。12月6日澎湃新闻,美国华裔物理学家张首晟教授2018年
12月1日去世,终年55岁。他是美籍华裔物理学家,美国文理科学院院士、美国国家科学院院士、中国科学院外籍
院士。斯坦福大学最年轻的终身教授之一,也是诺贝尔物理学奖的有力人选。有一句张首晟的话"如果要用一个量
化的标准来评价人类社会的发展水平,那应该就是信息和能量密度。”令人侧目,深切缅怀张首晟院士。做事要平
台,看院士一生,明科学社会。谨以此文献给英年早逝的抑郁症患者、诺贝尔奖排队得主张首晟教授。
A 从拓扑绝缘体、量子自旋霍尔效应到发现“天使粒子”(9467字)
从拓扑绝缘体、量子自旋霍尔效应到发现“天使粒子”
文|秦陇纪,科学Sciences20181129Thu-1201Sat
12月6日上午澎湃新闻,当地时间12月1日,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张首晟在美去世!终年55岁。消息传来全球惋惜,令人无法接受。

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图 1 张首晟(Shou-Cheng Zhang,1963 年-2018 年)
1.天才之路,从阁楼的孤独到科学的辉煌
1.1 资质聪颖,天才少年
张首晟1963年出生于上海,祖籍江苏高邮。
上小学时正值文化大革命,那是一个重工业轻教育的年代。张首晟白天在学校学习各种"红色"语
录,晚上就钻进家里小阁楼看各种国外名著,沉浸在读书的乐趣中。
1978年,上海允许初中毕业生直接参加高考。考得上能直接上大学,考不上连高中都没得读。
15岁初中毕业的张首晟跃跃欲试,花了一个暑假自学高中课程,直接参加了高考。
“我从小就非常盼望大学生活,虽然我是初中生,但当时的环境下,高中生也不比我拥有更多的
知识,所以还是有信心的。” 冲着这种盼望和信心,加上天赋异禀和文学积累,张首晟秒杀了一
大波高中生。考入了复旦大学物理系。(注1:祖父张彞曾就读于复旦公学,详见本文C之简历)
1.1.1 复旦出发,留学德国
1978年9月,复旦大学物理系迎来了一个没有高中文凭的少年大学生。“初中时,在很封闭的情
况下,我们都知道杨振宁、李政道获得诺贝尔奖,为中华民族争了一口气。大学时选择理论物理专
业,就是冲着他们的榜样力量。”张首晟如是说。走进物理系,距离偶像又近了一步,不过当年的他
或许没有想到,自己和偶像的缘分远不止如此。
复旦的时光是快乐的,对于阁楼上的少年来说尤其如此:“在初中的时候,由于喜欢读书,周围
的人都不以为然,我一直感觉很孤单。来到复旦之后,大家都如饥似渴地读书,有了很多的好朋友
。”张首晟说。那年,张首晟住在11号楼303室,一个寝室8个人,他的年纪最小。平日里看得最多的
就是争分夺秒地读书,偶尔的课余生活也成忙碌的学生生活的美好点缀。班上有海外关系的同学陈
捷弄到了进口彩色胶卷,这在当年是金贵无比的稀罕玩意,但他还是毫不吝啬地把它拿到学校和同
学共享。这些彩色胶卷,留下了许多张首晟在复旦园里珍贵的青春影像,他和陈捷也结成了莫逆之
交,每逢对方赴美,一定住他家里。
大学第一个学期就这样愉快而匆匆地过去了。第二学期开始,一日,张首晟正在宿舍里自习,
班主任突然上门,告知他将被选派前往德国柏林大学深造。张首晟高考成绩优异,在当时已被列入
留德学生的内定人选。对张首晟来说,这个消息可谓天降喜讯。他对德国最初的印象,来自儿时啃
过的那些哲学书籍,隐隐约约知道它是康德、黑格尔的祖国。“学了物理以后,发现教科书上重要的
物理公式很多都是德国物理学家的贡献,去德国留学对我来说像做梦一样。”张首晟说。
当年公派到德国的学生,一律要在同济大学接受为期一年的德语培训。

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1980年,没有来得及拿到复旦文凭的张首晟,正式踏上了赴德公派留学之旅,作为交流学生的
他来到了德国柏林自由大学深造。
1.1.2 镌刻着物理公式的墓碑
张首晟到达西柏林时,戒备森严的柏林墙还高高耸立着。他所在的柏林自由大学是一部分老柏
林大学出走的师生所创,与东柏林的老柏林大学(后称洪堡大学)遥相对应。这所位于冷战前哨的大学
甫一成立,便以“真实,公平,自由”为校训,更把“自由”二字嵌入校名。在这样一所以自由著称的学
校里就读,对于张首晟而言可谓如鱼得水,他没有忘记自己的本分。
张首晟学的是理论物理专业,但理论物理就业面太窄,一度让他对自己的未来感到迷惘。“本来
我还挺有信心的,但同学之间的担忧对我产生了影响,1981年左右,我开始想到前途问题。”张首晟
说。当年暑假,他踏上德国颇为流行的搭便车之旅,借着免费的顺风车环绕了德国一周。这场如骑
士一般的浪漫旅行,对张首晟的人生选择产生了重要影响。
一天,张首晟来到哥根廷大学附近的一片墓地。很多德国著名物理学家长眠于此,每个人的墓
碑上,墓志铭都镌刻着其生前发现的一道重要公式。如Heisenberg的墓志铭是Heisenberg测不准原理
的公式,Max Born是其对波函数概率的一个分析,Otto Hahn的墓碑上是一道核反应公式。
张首晟被深深地震撼了:“一个朴素的墓碑,一个简单而普适的公式,这才是人生最高境界。从
此之后,我决定要把自己毕生的精力贡献给物理学研究,特别是理论物理学的研究。”成为一名科学
家的神圣感和人生意义此刻内化为一种使命,一种激励自己贡献终生的精神源头。
从那之后,张首晟决定将毕生的精力都贡献给物理学研究,像那些物理学家一样“用一个公
式概括自己的一生”。
柏林大学的学制为五年,不少人甚至花了七年才能毕业,但凭借着出色的学习成绩和勤奋刻苦
的精神,年轻的张首晟只花了三年时间就完成了学业,并了解到了德国乃至欧洲的人文历史。
1983年,张首晟获德国柏林自由大学硕士学位。
1.2 物理公式是美丽的诗句
在德国攻读学位期间,张首晟开始思索自己的学术方向。当时他认为,物理学的最高目标是将
爱因斯坦揭示的宇宙四大力统一起来,杨振宁先生在这方面颇有建树,而他又是自己儿时的偶像,
前往美国追随杨振宁先生从事统一场研究便成为他念兹在兹的目标。
1.2.1 师从名门,开疆拓土
1983年,张首晟被美国纽约州立大学石溪分校录取,如愿以偿成为杨振宁先生的弟子。一入门
,他就迫不及待地向老师阐述他的学术构想,想跟随杨振宁研究高能物理领域。
图 2 张首晟与杨振宁
出乎意料的是,杨振宁先生并不支持他从事统一场论或基本粒子物理研究,而是向他推荐了凝
聚态物理。杨振宁教授认为:虽然高能物理领域存在不少美妙的数学结构,但缺少实验的验证。而
凝聚态物理领域虽然有许许多多的实验,却缺少数学结构的描绘。张首晟听从了杨振宁的建议,决
定在凝聚态物理领域钻研。
那时,凝聚态物理还是一个方兴未艾的研究领域,杨振宁先生本人的研究方向也并不在此,老
师的建议让张首晟大惑不解。多年以后,张首晟才明白杨振宁先生当初的良苦用心:“一般来说老师
总是希望学生能够发展自己的研究领域,杨振宁先生却建议我从事其他领域的研究,他真的很无私
。今天看来,凝聚态物理在物理学领域中发展得最快,这体现了他三十年前精准的眼光。”

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而更让张首晟得益匪浅的是,这位有着诗人气质的科学家,带领着他领略到了不一般的科研境
界:“他告诉我,诗歌追求的境界是用两句话将复杂的感情说清楚,科学也是追求用一个简单的公式
去描写大自然的所有万千现象。艺术和科学是相通的,‘F=ma’、‘E=MC2’就是描写大自然的最美丽的
诗句。”导师的话,激活了张首晟对于艺术的启蒙记忆。
“为美所驱追求科学,真是一种最高的境界,杨振宁先生带领我进入的境界,在书本上是学不到
的。”张首晟感慨。在物理系系庆报告会上,张首晟展望物理学发展的未来,觉得随着学科越来越专
业化,隔行如隔山,而如要真正做出创新,科学家还需更高的视野。他举例说,牛顿发现万有引力
,说明了三大力学定理,但当时理论物理根本没有这个名词,他那本奠定物理学基础的书叫
Mathematical Principles of Natural Philosophy,这是历史上最成功的用数学语言来描写大自然,体
现着无与伦比的的美。“因为在最高的境界上,科学跟艺术,科学跟美,主观、客观是统一在一起的
。”在这一点上,张首晟颇得导师的精神。师傅领进门,修行在个人,从基本粒子物理突然转向凝聚
态物理并非一件轻而易举之事,好学而刻苦的张首晟做成了。
就这样,杨振宁改变了张首晟一生的研究方向。而事实,也验证杨振宁的建议是具有前瞻
性的,是物理领域前进的主要方向。(注2:推荐阅读《迷人的物理——物理学的发展历程及重大成就》)
1.2.2 斯坦福最年轻的终身教授
1987年获得物理学博士学位后,张首晟先后在加州大学圣芭芭拉分校和圣何塞的IBM从事科学
研究工作。到了1993年,30岁的张首晟受邀去到斯坦福大学物理系任教,担任副教授。过了三年,
年仅33岁的张首晟便头角峥嵘,成了教授,是斯坦福最年轻的终身教授之一。在美国的大学,终身
教授代表被大家认可的高水平学术地位,像斯坦福这种名校的终身教授就更加了不起了。
1.3 物理研究领域三大突破
1.3.1 拓扑绝缘体
2006年,张首晟提出拓扑绝缘体理论的材料实现方案,通过持续的研究,他与德国维尔茨堡大
学通过实验证实了这个预言。
图 3 拓扑绝缘体
张首晟成为世界上第一个以实验结果来证实拓扑绝缘体理论的学者,他的理论和实践将为信息
技术带来革命性发展。
近年来俘获大批中国粉丝的美剧《生活大爆炸》里,主角物理学家们的口中常常蹦出“拓扑绝缘
体”的新名词,就引用了张首晟科研组的研究成果,对于非物理专业人而言,从这个侧面去了解他的
科研影响力或许更为直观。
1.3.2 量子自旋霍尔效应
2007年,张首晟发现的“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。“量子自旋霍尔效应”:指找到了电子自转方向与电流方向之间的规律,利用这个规律可以使电子
以新的姿势非常有序地“舞蹈”,从而使能量耗散很低。

秦陇纪 2010 数据简化 DataSimp 数据科学资料库
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图 4 量子自旋霍尔效应
凭借着对拓扑绝缘体和量子自旋霍尔效应的开创性研究,张首晟一路斩获一系列的大奖:
2010年,凭借“量子自旋霍尔效应”理论预言和在实验观测领域的开创性贡献,荣获2010年的欧洲
物理奖(国际著名的物理学奖项,由欧洲物理学会颁发),他是获得该奖项的首位华人科学家;
2011年,因在物理学领域做出的卓越成就,荣膺美国艺术与科学院院士;
2012年,美国物理学会颁发凝聚态物理领域最高荣誉Oliver Buckle奥利弗·巴克利奖和国际理论
物理学领域最高奖Dirac Medal狄拉克奖。
图 5 张首晟领取 2012 国际理论物理狄拉克奖
2013年,获得尤里基础物理学奖前沿奖;2014年,富兰克林奖委员会授予富兰克林物理奖。
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