【新闻网讯 记者吴权】6月16日，由中科院研究生院校友会和中科院物理科学学院联合举办的第八期“李政道讲座”在中关村教学楼S301教室开讲。本系列讲座为期五周，共十讲。

 

 作为夏季学期课程，16日下午先后安排了两场报告，首先由北京大学电子学系彭练矛教授主讲《后硅时代的电子学：从硅到碳》，第二场讲座主题为《从高度纠缠的量子物质到光和电子的统一》，由来自MIT物理系的文小刚教授做精彩报告。

 

 在第一场报告中，彭练矛教授通过芯片的发展历程，从总体上概述了纳米发展已经到了不得不考虑下一代发展的时候，并对此加以比较分析，指出利用石墨烯等碳基纳米材料将有好的发展前景，将会取代硅基芯片，可能会促成下一代碳基芯片的技术变革。

 

 讲座初始，彭练矛讲述了自己青年时期在美国的求学经验和科研经历，举例并分析了他1994年回国后国内计算机网络发展水平的状况和所存在的困难，由此过渡到对计算机集成芯片的介绍。他指出，计算机的发展离不开芯片，现今信息科学的成就正是基于集成芯片的不断发展之上的。

 

 在回顾芯片的发展历程中，彭练矛介绍说，在20世纪80年代到2000年，大约90%的芯片是MOS FET（金属氧化物半导体场效应晶体管），而这期间中国的贡献很有限。还有一个事实，是中国现如今进口最多的是集成芯片，（每年大约花费140亿到150亿美元）而不是石油。

 

 谈到近十年来的发展状况，彭练矛引用英国著名杂志《Nature》在2005年给出的评论，称到2020年硅的性能将达到其绝对极限，和《Science》杂志2010年的评论，提出疑问：硅的研究是否已经到头了？故此，人类不得不探讨电子学研究的下一步该如何继续。在这里，彭练矛援引美国NSF（美国国家科学基金会）在这一方面的科研计划和经费投入，谈及了相关研究的进展。

 

 据彭练矛介绍，美国NNI（美国纳米研究国家规划）由2010年17亿到2011年20亿的经费预算，列出了三个优先领域：能源纳米科技的应用、可持续微纳加工技术和2020年后纳米电子学。这其中，继摩尔定律之后，美国每年在基础研究方面的投入是1.7亿美元。

 

 在以上总体框架下，彭练矛从专业知识的角度阐述了硅基芯片所面临的现实挑战，并解释了其原因，如2009年，32纳米硅基芯片的开发已经完成，但2011年22纳米的硅基芯片就存在很多问题了，这体现了硅在电子速度和迁移力方面自身的不足。所以，到2013年如若要实现13纳米的芯片，就不得不放弃硅另寻材料。由硅基芯片的不足就关系到相应纳米电子器件集成所要克服的困难，彭练矛从器件的均匀性等问题做出了解释，由此对比指出了碳基纳米管量子器件的优势所在，如无须掺杂、弹道输运和量子输运等。

 

 这里，彭练矛从碳基纳米管的结构出发分析其优势所在的原因，并阐述了碳基纳米管的性质，指出它的C-C键作用力强，且硬，使得其导热性能好（优于钻石），电子迁移率高（比硅好几十倍），其高频相应比所有半导体都优越。同时彭练矛强调，单就这些性能的好，无用，必须将所有这些性能利用起来才行，最终是要看器件的实际效果如何。

 

 彭练矛指出，P型的碳基纳米管场效应晶体管近乎完美，其性能超过硅基器件，但N型器件的性能还是赶不上硅基器件的性能，而这在2005年之后，国外国内碳纳米管方面的研究就停滞了。所以彭练矛由此介绍了他们2005年继续在N型器件方面的研究方法，和历经十年的努力所取得的一些重要成果，再次比较了碳基纳米管相对于硅基纳米管在MOS工艺上的优势和发展前景。

 

 最后，彭练矛总结，碳以其固有的优势，取代硅将是电子学领域发展的一个趋势，其应用将会越来越广泛。讲座最后，彭练矛就现场同学的热情提问做了详细的回答。

 

 第二场讲座，《从高度纠缠的量子物质到光和电子的统一》，文小刚教授不无抽象的做了精彩报告。

 

 文小刚先以量子多体物理出发，介绍多体理论新的进展，指出需要发展一种理论语言，即数学，来描写量子多体物理所呈现出来的各种现象。他强调，需要以基本问题为切入点，根据问题的不同寻找解决的思路和策略，要从物理的角度来解释世界。这遵循了“发现现象——统一——重新发现——再统一”这一过程，统一即促使实验继续发展，而重新发现，就会理解越来越多东西。

 

 据文小刚讲解，牛顿万有引力用于研究行星，就是将力学和天文现象联系在一起，此为统一，结果是获得了对引力的定量描述；再由新现象的发现到电磁的再统一，得到了描述波动性的麦克斯韦方程；紧接的是迈克尔逊干涉仪的发明，就有了爱因斯坦对时间与空间的统一的阐述，如此就要去分析两个力有什么不同，思路是，什么东西都要靠实验。由此导致了弯曲的时间概念，将几何与引力规律统一起来，就得到了爱因斯坦方程，也就找到了一种数学语言，但对于引力波的是否存在，文小刚说，还在找。

 

 随后，文小刚就什么是波，真空怎么会有波等问题展开了解释，谈及了麦克斯韦所假设的“也许真空是齿轮模型”的相关推理和实验，介绍了从半导体中发现量子霍尔效应，由此引进“序”的概念，并猜想，不同的序，或许具有不同的波动方程。文小刚指出，对序的理解不全面，最终证明该理论不行，需要寻找新思路。由此，文小刚利用舞步理论形象解释了量子理论中的量子涨落和量子纠缠态式样。

 

 经以上量子理论的解释，文小刚再次强调，引入基本概念，促进理论向前发展，须发展量子语言。基于以上认识，他举例解释了什么是量子纠缠，并解释了晶体为什么没有纠缠，介绍多粒子构造高度纠缠态如何得到强纠缠态，从而指出，凝聚态的一个大方向就是要了解纠缠态的性能。最后，文小刚从高度纠缠的量子物质过渡到对光和电子的统一的解释说明。

 

 讲座最后，文小刚教授就量子比特、弦理论和量子纠缠态方面的内容，对现场同学的提问做了精彩的补充回答。

 

 “李政道讲座”自2004年首次开讲以来，每年都邀请了众多经CUSPEA项目赴美深造学习的学者们来中科院研究生院为研究生们讲授科研前沿领域的发展成果，这同时作为本学年夏季学期课程的一个重要组成部分，旨在拓宽研究生对于当代前沿科学领域的知识面。

 

 在接下去几周里，“李政道讲座”还将邀请香港科技大学徐昆教授、美国橡树岭国家实验室纳米相材料科学中心张晓光研究员、中科院物理所陈东敏研究员、清华大学材料科学与工程系韦丹教授、浙江工业大学物理系吴忠超教授、伦敦大学学院、清华大学计算神经科学实验室、对外经济贸易大学金融市场研究中心张海云教授等前沿科研领域的中外学者分别开设计算流体力学、自旋电子学和金属氧化物、微磁学与信息存储、霍金的宇宙创生理论、从认知现象到脑功能的洞察力和中国信用市场创新与发展等方面的讲座。