半導體芯片 來(lái)源：ETCIO

　　在經(jīng)典物理的點(diǎn)開(kāi)世界里，一個(gè)物體要么導電，此文要么不導電，前早幾乎不存在“既是用過(guò)又不是”的模糊狀態(tài)。但是量力，在經(jīng)典理論之外，學(xué)不信量子力學(xué)的點(diǎn)開(kāi)能帶理論，卻催生了半導體這顆現代工業(yè)的此文明珠。

　　絕緣體、前早半導體和導體的用過(guò)能帶示意圖。絕緣體的量力帶隙最大，電子不能通過(guò)；導體沒(méi)有帶隙，學(xué)不信電子可以自由通過(guò)；半導體的點(diǎn)開(kāi)帶隙介于它們之間，因此兼有兩者的此文性質(zhì)。 來(lái)源：learnelectronicswithme.com

　　介于導電與不導電之間的前早特殊性質(zhì)，使半導體材料能夠被制成一個(gè)個(gè)微型開(kāi)關(guān)，控制電流在導通與不導通之間正確地切換，組合成輕便而強大的集成電路，為你處理著(zhù)大量的數據，再變成可讀的信息，呈現在你的眼前。

　　8：00 AM | 天空的指引：導航系統與原子鐘

　　你穿好衣服走出家門(mén)，由于不熟悉新的工作地點(diǎn)，你打開(kāi)手機的地圖軟件開(kāi)始導航。

　　此時(shí)，地球周?chē)煌恢梅植贾?zhù)的定位衛星正在向你發(fā)送信號。通過(guò)收集發(fā)送與接收信號的時(shí)間差，再乘以光速換算成距離，手機的導航系統最終準確地認出你所在的位置，并為你提供合適的路線(xiàn)。

　　衛星定位基本原理 來(lái)源：北斗衛星導航系統

　　因為光速極快，哪怕僅僅百萬(wàn)分之一秒的計時(shí)誤差，乘以光速后都會(huì )導致數百米的位置偏差。所以，精確的位置判斷依賴(lài)于精確的計時(shí)，而這都歸功于衛星上搭載的原子鐘。

　　由于原子核外電子的能量量子化，每個(gè)原子釋放的電磁波都有著(zhù)極為精確的能量——在量子力學(xué)中，這意味著(zhù)極為精確的頻率，也就是極為精確的時(shí)間間隔。這是大自然為人類(lèi)提供的最精準的“節拍器”，以此為基準造出的原子鐘，其準確度已經(jīng)可以達到每?jì)|年間只產(chǎn)生一秒的誤差。

　　北斗導航衛星所配置的氫原子鐘 來(lái)源：維基百科

　　如果沒(méi)有量子力學(xué)的加持，你的導航可能只會(huì )把你帶到目的地所在的街區，卻不能到達精準的門(mén)口。

　　10：00 AM | 穿墻的“幽靈”：U盤(pán)與量子隧穿

　　到達公司，你打開(kāi)電腦開(kāi)始辦公。為了將文件轉移給同事的電腦，你將它們拷貝到你的U盤(pán)。

　　此時(shí)，U盤(pán)中的一個(gè)個(gè)浮柵晶體管開(kāi)始工作。這是一些由薄薄的氧化物絕緣層封鎖住的小隔間——這些氧化物在經(jīng)典力學(xué)中必不導電，當電子撞上它，就好像一個(gè)球被扔向一堵堅實(shí)的水泥墻。于是，外面的電子進(jìn)不來(lái)，里面的也出不去。

　　量子隧穿 來(lái)源：因斯布魯克大學(xué)

　　但是，多虧了量子力學(xué)中的隧穿效應，一旦電子受到了更高能量的激勵，它們就變成了奇詭的幽靈，能夠穿過(guò)本來(lái)攔住它們的絕緣層“墻壁”，出去或者進(jìn)來(lái)，讓小隔間內的電子存儲情況發(fā)生變化。

　　這種存儲技術(shù)叫做“閃存”技術(shù)。設計者將有電子的小隔間當作“0”，沒(méi)有電子的小隔間當作“1”，你的文件數據就這樣被寫(xiě)入了小小的U盤(pán)，方便地在不同設備間傳輸。

　　除U盤(pán)之外，SD卡和固態(tài)硬盤(pán)也是閃存技術(shù)常見(jiàn)的應用場(chǎng)景

　　12：00 PM | 秩序之光：掃碼槍與激光

　　中午，你來(lái)到樓下的便利店，購買(mǎi)了一盒冷柜中的便當。店員姐姐拿出掃碼槍?zhuān)t色的激光掃描出商品的條形碼，商品的名稱(chēng)和價(jià)格立刻顯示出來(lái)，再掃描你手機上的付款碼，你用十幾秒的時(shí)間就獲得了今天的午餐。

　　激光掃描二維碼 來(lái)源：維基百科

　　而這激光的產(chǎn)生，同樣也依賴(lài)于原子核外電子的能量量子化。

　　我們剛才提到，原子釋放的電磁波，也就是光，有著(zhù)極為精確的能量。當原子被這樣具有它的“專(zhuān)屬能量”的光攻擊時(shí)，它的潛能就會(huì )被激發(fā)，自己也發(fā)出相同的光。

　　激光器工作原理示意圖 來(lái)源：勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗室

　　這些光在激光器的反射腔里一傳十，十傳百，每一次激發(fā)產(chǎn)生的光都與入射光一模一樣，不僅僅是能量（顏色）相同，連步調（相位）都完全一致，像一支訓練有素、齊步走的士兵隊伍。不像普通燈泡的光，如廣場(chǎng)上熙熙攘攘的人群一般，方向各異。

　　最終，它們匯聚成一束純凈而集中的光束，得以清晰準確地識別條形碼上黑白相間的圖案。

　　8：00 PM | 發(fā)光的魔法：顯示屏與量子點(diǎn)

　　夜晚，你終于結束了一天的工作，回到家中。你長(cháng)舒一口氣，決定看一集最新更新的電視劇，給自己的精神世界來(lái)一點(diǎn)放松和犒賞。

　　追求視覺(jué)效果的你，特意給家中配備了一臺寬色域的顯示器。這臺顯示器使用了量子點(diǎn)材料，這是一些很小的半導體粒子，每一顆的尺寸都只有幾納米。它們附著(zhù)在LED背光板上，在背光源的激發(fā)下發(fā)出不同顏色的光。

　　一種量子點(diǎn)顯示器 來(lái)源：維基百科

　　在幾納米的尺度下，量子點(diǎn)發(fā)光的顏色受到量子力學(xué)的牢牢掌控，每一種大小的粒子都對應著(zhù)一種單獨的顏色，這是一種奇特的“量子尺寸效應”：在宏觀(guān)世界，材料的顏色由其化學(xué)成分決定；但在納米尺度，物理尺寸本身就能改變其光學(xué)性質(zhì)。用這個(gè)方法調控的顏色十分純凈，使得屏幕有了非凡的色彩表現力。

　　不同顏色的量子點(diǎn)材料：粒子尺寸越大，發(fā)光顏色越紅；粒子尺寸越小，發(fā)光顏色越藍 來(lái)源：巴黎理工學(xué)院

　　11：00 PM | 不眠的城市與不息的能量

　　足夠的放松之后，你再一次進(jìn)入了夢(mèng)鄉。而此時(shí)，你所在的城市卻并未沉睡。

　　在這不眠的現代都市里，時(shí)刻不停的電力供應，是這座城市運作的關(guān)鍵命脈，而其中核能（其能量源于原子核的裂變與聚變）與太陽(yáng)能（其核心是光電效應，正是愛(ài)因斯坦獲得諾貝爾獎的量子理論貢獻）所產(chǎn)生的電力，同樣與量子力學(xué)的開(kāi)拓密不可分。

　　也許這里的很多人從未學(xué)習過(guò)量子力學(xué)的原理，但我們也都在無(wú)意間，一直使用著(zhù)它，又享受著(zhù)它給我們帶來(lái)的一切?；赝倌?，量子力學(xué)已從科學(xué)家的黑板走進(jìn)你我的口袋；展望未來(lái)，量子計算、量子通信等新一代技術(shù)正在孕育之中。這個(gè)曾經(jīng)高深莫測的“精靈”，必將為人類(lèi)文明帶來(lái)更加深刻的變革。

　　原來(lái)，那些看起來(lái)高端的科學(xué)，其實(shí)并不遙遠，而我們看似按部就班的生活，其實(shí)也充滿(mǎn)奇跡。（張一凡）

　　參考資料：

　　1、Yu， Peter （2010）。 Fundamentals of Semiconductors。 Berlin： Springer-Verlag。 ISBN 978-3-642-00709-5。

　　2、http://www.beidou.gov.cn/zy/kpyd/201710/t20171011_4559.html

　　3、https：//computer.howstuffworks.com/flash-memory.htm

　　4、https：//lasers.llnl.gov/education/nifs-guide-how-lasers-work

1. https：//www.chemistryworld.com/features/the-quantum-dot-story/4018219.article

　　策劃：劉穎 張超 李培元 楊柳

　　審核：中科院物理研究所研究員 魏紅祥

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