唐爽：新材料意義有多大？

胡文娟

2012年4月24日，麻省理工學(xué)院主頁(yè)上掛出一篇文章：由該校攻讀物理學(xué)博士學(xué)位的唐爽與其導(dǎo)師——世界著名科學(xué)家崔瑟豪斯（Mildred Dresselhaus） 教授提出的一種物理理論，被命名為“唐爽-崔瑟豪斯”理論。一經(jīng)發(fā)表，短時(shí)間內(nèi)被美國(guó)物理世界等新聞媒體以多種語(yǔ)言在美國(guó)、英國(guó)、加拿大、澳大利亞、芬蘭、韓國(guó)等國(guó)家報(bào)道。雖然該項(xiàng)目目前仍處于理論階段，需要更多地實(shí)驗(yàn)來(lái)完善，但崔瑟豪斯教授表示： "Anything can happen， we really don't know.Many mysteries remain before we have a real device."

發(fā)現(xiàn)新奇材料

什么是“唐爽-崔瑟豪斯”理論？唐爽說(shuō)那得先認(rèn)識(shí)一下“狄拉克錐”?！皩?duì)于一般的經(jīng)典粒子，其動(dòng)能——?jiǎng)恿筷P(guān)系是拋物線型的，即高中物理中所介紹的動(dòng)能和動(dòng)量的二次方成正比。對(duì)于光子這樣的相對(duì)論粒子，動(dòng)能和動(dòng)量確是線型的，即動(dòng)能和動(dòng)量成正比。如果我們能夠找到一種辦法，使得電子的動(dòng)能——?jiǎng)恿筷P(guān)系能夠和光子一樣成線型，那么這一點(diǎn)就叫做“狄拉克點(diǎn)”，在二維體系中的“狄拉克點(diǎn)”，就叫做狄拉克錐。有了‘狄拉克錐，電子就被賦予了神奇的力量，他們可以挑戰(zhàn)嶗山道士“穿墻”的本領(lǐng)，以100%的概率透過(guò)經(jīng)典意義下不可能透過(guò)的壁壘?！碧扑哪卣f(shuō)：“如同孫悟空繞樹(shù)三圈后可以找到通向另一個(gè)世界的門一樣，狄拉克錐中的電子也可以繞狄拉克錐一圈后，進(jìn)入另一世界。石墨烯便是因?yàn)橛辛藘蓚€(gè)對(duì)稱的各向同性的狄拉克錐才有了各種神奇的特性。”

2010年，石墨烯 “狄拉克錐”的發(fā)明者獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)，而唐爽此次找到了另外一種合金材料鉍銻合金薄膜，不僅具有多數(shù)石墨烯的特殊性質(zhì)，還有一些更為復(fù)雜和有趣的特殊功能和性質(zhì)。這種鉍銻合金薄膜材料極為可能成為下一代計(jì)算機(jī)芯片和熱電發(fā)電機(jī)的革命性材料。因?yàn)?，一旦這種材料制成電腦芯片，其速度將會(huì)比現(xiàn)有硅材料的芯片快很多倍。這樣一來(lái)，“量子計(jì)算機(jī)”的實(shí)現(xiàn)也有了新的可能。一旦量子計(jì)算機(jī)發(fā)明，將成千上萬(wàn)倍地提高計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度。

“將溫差變?yōu)殡娔堋钡捻?xiàng)目是美國(guó)能源部的一個(gè)重要課題，而“唐爽-崔瑟豪斯”理論為高效熱電材料的研發(fā)也開(kāi)啟了希望之門。

唐爽介紹說(shuō)，“唐爽-崔瑟豪斯”理論體系可以提供高電導(dǎo)、低熱導(dǎo)和有效的單位載流子熵，從而制造出高效的熱電材料。比如已經(jīng)制備出來(lái)的新材料鉍銻合金薄膜，就具有極快的電子傳播速度和極小的熱導(dǎo)率，因此可以產(chǎn)生極大的發(fā)電效率。該體系尤其適合于超低溫體系，如在太空空間站、衛(wèi)星等體系中，可以將向陽(yáng)面和背陽(yáng)面的溫度差迅速高效地轉(zhuǎn)化為電能，從而為空間站、衛(wèi)星等提供動(dòng)力。

另一個(gè)應(yīng)用是高效的低溫制冷機(jī)，神奇的熱電材料加上電流就可以打造出高效的制冷機(jī)。這種制冷機(jī)效率高、價(jià)格低廉，且不產(chǎn)生噪音和廢料污染。

導(dǎo)師向奧巴馬介紹他

從復(fù)旦大學(xué)本科畢業(yè)后，唐爽就來(lái)到美國(guó)麻省理工學(xué)院攻讀博士學(xué)位，說(shuō)起被麻省錄取，唐爽還有段很搞笑的故事。當(dāng)時(shí)申請(qǐng)到國(guó)外讀書(shū)，唐爽已經(jīng)做好了被哈佛和耶魯大學(xué)錄取的準(zhǔn)備，可是最后他卻收到了來(lái)自麻省理工學(xué)院的通知。“這個(gè)科研所在復(fù)旦物理系只錄取過(guò)一名學(xué)生。”唐爽打開(kāi)信件，讀了三遍都不敢相信自己被錄取了，他還找到自己的好朋友確認(rèn)了兩遍，最后才放心。

在麻省，唐爽注冊(cè)在材料系，師從MIT頂尖科學(xué)家電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系兼物理學(xué)系崔瑟豪斯（Mildred Dresselhaus）教授。對(duì)于自己的這位80歲的恩師，唐爽十分敬重，且非常崇拜這位物理界的“活化石”。在唐爽看來(lái)導(dǎo)師分很多種類型?！坝械膶?dǎo)師是包工頭型的，就是自己接項(xiàng)目然后想怎么做，讓學(xué)生去做，學(xué)生只用聽(tīng)，不用想。有的導(dǎo)師是政治家型的，科研的東西不怎么管，只負(fù)責(zé)拋頭露面、搞關(guān)系和八卦。我的導(dǎo)師Prof. Dresselhaus屬于對(duì)學(xué)生很寬松，但是對(duì)科學(xué)很熱情，不在乎任何名利的類型，這可能是我為什么這么尊重她的原因吧！她曾經(jīng)跟我說(shuō)過(guò)：我們做科學(xué)一定要有原創(chuàng)，所以你可以自由去想去摸索，然后你想做什么，我們就申請(qǐng)什么經(jīng)費(fèi)。我和導(dǎo)師討論是不需要預(yù)約的，直接去辦公室敲門就行了，這和其他大部分導(dǎo)師是不同的。很多其他導(dǎo)師的學(xué)生要見(jiàn)他們也需要很規(guī)范的行政程序。我的導(dǎo)師雖然很忙，但是學(xué)生想什么時(shí)候見(jiàn)，就可以什么時(shí)候見(jiàn)，只要她在辦公室?！?/p>

2010年初，當(dāng)時(shí)有一個(gè)合作者在做鉍的材料，導(dǎo)師崔瑟豪斯讓唐爽看一下，做個(gè)模型。唐爽翻閱的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)這位合作者做的只是這個(gè)材料的一小部分。他經(jīng)過(guò)仔細(xì)地做模型研究，發(fā)現(xiàn)鉍材料在經(jīng)過(guò)摻雜和低維化、納米化和量子化之后，可以做出很多有意思，神奇的東西，這可能對(duì)當(dāng)下的科技需求有意義。于是唐爽就開(kāi)始重新考量鉍的研究?！拔覀兪紫认到y(tǒng)地對(duì)各種類型的狄拉克錐進(jìn)行了定義，并定義了各種參數(shù)來(lái)描述狄拉克錐的對(duì)稱性、各向異性、迷你能隙等，然后提出了構(gòu)造各種單狄拉克錐、雙狄拉克錐、三狄拉克錐、半狄拉克錐、類狄拉克錐的方法。我們研究的部分結(jié)果已經(jīng)公開(kāi)發(fā)表，還有很多數(shù)據(jù)和工作需要完善。”

值得一提的是“唐爽-崔瑟豪斯”理論的核心來(lái)自唐爽在一次party上累了休息的時(shí)候?！拔易畛跸氲竭@些理論的核心時(shí)我家在開(kāi)party。我在美國(guó)的家有兩層，那天我家上面的一層在開(kāi)party，我有點(diǎn)累了就到下面的一層休息，然后突然想到一些東西，就坐起來(lái)推導(dǎo)了一些公式，這些公式成為了日后研究的核心內(nèi)容?！?/p>

2012年4月，唐爽作為第一作者，將文章投給了業(yè)內(nèi)著名的《納米快訊》，文章一經(jīng)刊發(fā)，在業(yè)內(nèi)引起轟動(dòng)。烏克蘭、日本、比利時(shí)與德國(guó)的科學(xué)家都找到唐爽與崔瑟豪斯的工作室，表示希望合作。其導(dǎo)師崔瑟豪斯也曾在白宮向奧巴馬介紹過(guò)唐爽的成就，稱“這個(gè)中國(guó)人發(fā)現(xiàn)的材料，可能開(kāi)拓電子、基礎(chǔ)物理等新的理論?！?/p>

愛(ài)科學(xué)，更愛(ài)傳統(tǒng)文化

唐爽從小開(kāi)始學(xué)習(xí)傳統(tǒng)武術(shù)，拜師求教武當(dāng)內(nèi)家拳，后來(lái)也還為此著書(shū)，意為保存文化。中學(xué)時(shí)候的他并未展現(xiàn)出對(duì)物理的特別喜好，反而很喜歡國(guó)學(xué)，尤其愛(ài)研究《紅樓夢(mèng)》，對(duì)于書(shū)中經(jīng)典信手拈來(lái)。高中時(shí)，參加國(guó)學(xué)夏令營(yíng)，唐爽開(kāi)始戀上了梵文。進(jìn)入復(fù)旦物理系學(xué)習(xí)后，他又拜易學(xué)大師謝金良為師，悉心鉆研《周易》文化。文理兼優(yōu)的他曾被復(fù)旦校長(zhǎng)親自接見(jiàn)，并于2008年出任復(fù)旦大學(xué)《周易》協(xié)會(huì)名譽(yù)會(huì)長(zhǎng)，2009年作為當(dāng)年最年輕的學(xué)者參加了復(fù)旦大學(xué)思想史研究中心“中國(guó)文化中的正統(tǒng)問(wèn)題”年會(huì)。2010年在麻省時(shí)，唐爽還多了一個(gè)新頭銜——“復(fù)興論壇”國(guó)外執(zhí)行長(zhǎng)，積極弘揚(yáng)中華文化，汲取世界精華。

“我從小就喜歡中國(guó)傳統(tǒng)文化，包括一些奇怪的東西，比如風(fēng)水術(shù)數(shù)，奇門遁甲等。這些是我的個(gè)人愛(ài)好，我覺(jué)得是我對(duì)中華文明的一種崇敬感和歸屬感的產(chǎn)物。很多文化哪怕已經(jīng)沒(méi)有現(xiàn)實(shí)意義了，但卻是一種文化博物，總需要人去作為文化歷史保存下來(lái)。不能說(shuō)沒(méi)有實(shí)用價(jià)值了就應(yīng)該完全毀掉。就像‘皇帝之寶的玉璽沒(méi)有了任何政治實(shí)用價(jià)值，不是照樣被視為國(guó)寶保存在博物館里嗎？我們可以書(shū)寫(xiě)歷史，但不能毀掉子孫后代了解歷史的權(quán)利。這才是科學(xué)客觀和審慎批判的態(tài)度！”唐爽甚至表示如果拿中國(guó)傳統(tǒng)文化和科學(xué)相比的話，他更喜歡中國(guó)傳統(tǒng)文化。