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■陳冠華透過研究薛丁格方程式的數值解法，為發現新物料和研究新系統帶來突破，成果得到肯定，榮獲本年裘槎優秀科研者獎。 劉國權 攝
電子產品體積愈出愈小，效能愈出愈強，但隨着半導體晶體管的尺寸迎來物理極限，未來恐面臨樽頸。香港大學化學系系主任陳冠華與其團隊，透過電腦模擬化學材料中原子的運作，研究量子力學中薛丁格方程式（Schrodinger equation）的數值解法，為發現新物料和新的電子計算系統帶來突破。有關成果備受肯定，讓他獲得本年度裘槎「優秀科研者獎」。
陳冠華解釋，理論上半導體晶體管尺寸愈小，電子運算速度便愈快，大概為晶體管每細小一半計算速度就提高一倍的程度；隨着科技發展，目前市面所見最小的晶體管已小至14納米，實驗室更可以造到7納米。
不過他指，由於原子跟原子之間大約只得0.1納米距離，如果製作的晶體管小於7納米，裡面的原子將難以控制，簡言之目前的技術已經接近物理極限，不出10年將會面臨樽頸，為此有必要設計全新物料，讓電腦發展得以延續。
軟件模擬 免重本實際打造
他指，現代電子器件更多是透過電腦軟件設計，然而在設計新物料的前提下，現有電腦軟件設計已經不再適用，所以要讓器件設計有突破，必先從電腦模擬軟件着手。他與團隊遂針對量子力學中著名的薛丁格方程式進行解構，致力開發出新一代電腦模擬軟件，為發現新物料和研發新電子計算系統帶來突破，有能力把方程式應用於數十納米級系統，極大的拓展了量子力學計算方法的應用範圍。
這計算上的突破，有助實現對新興納米電子器件及新興電子材料的計算模擬與探索，讓科學家在此基礎上，尋找新物料及設計新運作系統。
陳冠華進一步解釋電腦模擬的好處，「如果建廠實際去造7納米小的晶體管，投資少說數十億美金；電腦模擬花費不了多少，亦能嘗試各種不同可能性。」對於未來發展，陳冠華認為晶體管未必再往小發展，而是轉為利用不同新物料繼續發展，創造更多可能。
解構上述方程式後原則上足以解決問題，但仍有技術問題需要處理。「即使利用號稱運算速度全球最快的超級電腦『天河二號』運算，都需要足足兩個星期才能算出一種可能性」，而且有關運算過程非常複雜，穩定性仍有不足。未來將着力進一步優化軟件，加強可靠度及運算速度，目標從幾周縮短至數小時完成。
模擬運算析新太陽能電池
團隊另一個研究方向是研發新一代太陽能電池，他指目前常用的太陽能電池物料矽，對環境產生很多污染。陳教授團隊首次從量子力學計算出發，直接模擬太陽能電池的光電過程。團隊透過模擬計算，深入了解太陽能轉化電能的機制，有助在矽以外探索新物料，開發下一代太陽能電池。 ■記者 姜嘉軒
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