在1/10000000米尺度下改变你的生活

时间:2017年8月04日23时03分58秒作者:望月

  出品:中国科普博览SELF格致论道讲坛

导语:有一种“点”叫量子点,它很小很小,比一千万分之一米还小。日本有位科学家说,当物质小到某个尺度的时候,它就会变“性”,比如绝缘的变得导电、不放光的变得五彩斑斓,量子点就是这样。然而你想象不到的是,这样一种奇异的、微小的“点”,却有可能彻彻底底改变我们的生活。在SELF讲坛上,中科院物理所王霆为你打开量子点的神奇世界。

—嘉宾介绍—

  

  王霆

中国科学院物理研究所副研究员

以下内容由王霆演讲精编而成:

或许你熟悉什么是量子,但量子点究竟是什么东西?

  

  第一,它是一个非常小的原子颗粒,一百纳米尺度以下的原子团簇(即一堆原子)。它的尺度非常小,小于一百纳米。而一百纳米,其实只有一千万分之一米。

  

  第二,它是一个准零维纳米材料,意味着在这样一个空间或者材料体系内,没有任何的自由空间,而要完全不动,它需要小到一个极限(小于原子尺度)。量子点还是个一百纳米的原子团簇,所以只是准零维──接近零维的标准。

量子点它有意思在哪里

上述两个条件结合产生“量子限域效应”──1961年由日本的久保先生提出──当任何的物质缩减到非常小的一个纳米值时,它的电子能级会由连续的逐渐变成离散型的。

  

  这个离散型到底有什么用?举个简单的例子:你在日常生活中看到的某一个物质它是磁性的,缩到零维这个纳米尺度之后,它可能变成导电的或者变成绝缘的;那一个完全不发光的、黑乎乎的物质,把它缩小到零维空间的时候,它变成了一个发光材料、五彩斑斓。这就是所谓光热电等等一系列的物性──在从三维变成零维结构之后,它相互之间的一个转化。

量子点如何呈现不同的色彩?

图中是装有硒化镉量子点的有机溶液(甲苯),这些溶液在自然光下看起来就像白水一样的或者有淡淡的颜色。当我们将这些量子点放在紫外光之后,它就会呈现一个什么不同的色泽。原理是通过分散纳米尺度,不同原子大小、不同尺度的纳米颗粒它就呈现了不同的色泽。大家可以看到这当中的不同的颜色,这就是量子点它奇妙的地方。这也是我们刚才提到的“量子限域效应”。

  

  现在这里有三个标准的颜色──三基色──将这三种不同尺寸的纳米颗粒混在一起,会有什么样的变化?它变成了白色!这也就是白色的led或者这些白光的发光原理。那把三基色(三种不同尺寸的量子点)融合在一起,就成为未来的照明系统,可能会是我们利用的一个方向。

另一个常见的典型──砷化铟量子点

  

  砷化铟量子点被我们大范围的应用到光电通讯当中,用作激光器和探测器的制备。目前所使用的宽带、所有的光纤通讯使用中的探测器和激光器,很大的一个比例都是使用这种量子点完成的,所以它也是推动光通讯的一个非常重要的材料角色。

量子点的三大应用,改变未来生活方式

第一方向是“显示

  

  可以看到上图当中,将量子点和传统的显示屏结合在一起;下图就是屏幕制作完成之后所呈现的不同的色彩,色彩饱和度极其的高,而且它的功耗很低──也就意味着如果做一个手机屏之后,未来你的电池可能会用两天、会用三天,它有非常好的色泽度、显示度而且功耗非常的低。相信在未来的可能iPhone8或者iPhone8S你可能就会见到这个技术。因为这个专利已经被三星购买了,在开始大幅的量产,所以这是近期量子点最直观的一个应用。

第二个方向是光通信”──中长段的应用方向

大家可以意识到现在这几年手机、电脑并没有增速,我们都知道我们现在是大数据时代、互联网经济蓬勃生长,大家对数据量的需求(无论从智能手机的发展开始还是人工智能)是非常大的。但是用电子作为芯片、信息载体的这个方式,已经满足不了我们的需求了。我们需要光子──大家都知道光的速度比电要快非常的多,所以我们希望通过光子取代电子,成为新的信息载体。

  

  图中这里,是谷歌的一个数据中心,它目前的数据量达到了五个ZetaByte。我们通常说你拿一个手机16G的,那ZetaByte就是1万亿个G。这样仍然完全没有办法满足我们现在的数据需求量,大部分时候都是超载的。因为所有的数据中心里头大部分的信号处理还是采用电,在用电和电芯片之间采用光互联,电的速度极度抑制了我们信息所能够处理和传输的速度。而我们第一步要做的就是采用光电模块,来大幅的提高数据中心的速度。第二步需要做需要采用光逻辑,以实现一个光的晶体管,如此完全取代我们所有的电子晶体管。大家就会得到一个“光芯片”。最终大范围地实现光芯片的集成,那以后可能大家获得的是光子计算机,而我们希望它能够达到一千亿次每秒的运算速率,会远远超越我们现在所有手机、电脑、iPad当中的电子芯片的运算速率。这会是未来改变人类生活方式的另一项重要的科技。

第三个方向是量子计算”。

如何使用光子去实现量子计算机?就是采用光子作为量子比特。在5月3号的时候,中科大刚刚实现了8量子比特的一个光量子计算机,未来下一步是12量子比特,最终我们会希望在十年内实现一百个量子比特。一百个量子比特的运算速率会达到我们现在全世界运算速率之和的一百万倍。我们可以去计算“实现人工智能”;计算人脑内的这些神经突触和细胞之间是如何沟通、交流的。另外我们可以探索外层空间,可能会彻底地改变地球的面貌。

  

  总而言之,王霆相信在未来的50年到100年微纳光学可能会彻彻底底的改变所有人对信息的认知、对数据的认知以及大家的生活方式。

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