 半導體芯片 來源：ETCIO 在經典物理的點開世界里，一個物體要么導電，此文要么不導電，前早幾乎不存在“既是用過又不是”的模糊狀態。但是量力，在經典理論之外，學不信量子力學的點開能帶理論，卻催生了半導體這顆現代工業的此文明珠。  絕緣體、前早半導體和導體的用過能帶示意圖。絕緣體的量力帶隙最大，電子不能通過；導體沒有帶隙，學不信電子可以自由通過；半導體的點開帶隙介于它們之間，因此兼有兩者的此文性質。 來源：learnelectronicswithme.com 介于導電與不導電之間的前早特殊性質，使半導體材料能夠被制成一個個微型開關，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，由于不熟悉新的工作地點，你打開手機的地圖軟件開始導航。 此時，地球周圍不同位置分布著的定位衛星正在向你發送信號。通過收集發送與接收信號的時間差，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。  衛星定位基本原理 來源：北斗衛星導航系統 因為光速極快，哪怕僅僅百萬分之一秒的計時誤差，乘以光速后都會導致數百米的位置偏差。所以，精確的位置判斷依賴于精確的計時，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，每個原子釋放的電磁波都有著極為精確的能量——在量子力學中，這意味著極為精確的頻率，也就是極為精確的時間間隔。這是大自然為人類提供的最精準的“節拍器”，以此為基準造出的原子鐘，其準確度已經可以達到每億年間只產生一秒的誤差。  北斗導航衛星所配置的氫原子鐘 來源：維基百科 如果沒有量子力學的加持，你的導航可能只會把你帶到目的地所在的街區，卻不能到達精準的門口。 10：00 AM | 穿墻的“幽靈”：U盤與量子隧穿 到達公司，你打開電腦開始辦公。為了將文件轉移給同事的電腦，你將它們拷貝到你的U盤。 此時，U盤中的一個個浮柵晶體管開始工作。這是一些由薄薄的氧化物絕緣層封鎖住的小隔間——這些氧化物在經典力學中必不導電，當電子撞上它，就好像一個球被扔向一堵堅實的水泥墻。于是，外面的電子進不來，里面的也出不去。  量子隧穿 來源：因斯布魯克大學 但是，多虧了量子力學中的隧穿效應，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，能夠穿過本來攔住它們的絕緣層“墻壁”，出去或者進來，讓小隔間內的電子存儲情況發生變化。 這種存儲技術叫做“閃存”技術。設計者將有電子的小隔間當作“0”，沒有電子的小隔間當作“1”，你的文件數據就這樣被寫入了小小的U盤，方便地在不同設備間傳輸。  除U盤之外，SD卡和固態硬盤也是閃存技術常見的應用場景 12：00 PM | 秩序之光：掃碼槍與激光 中午，你來到樓下的便利店，購買了一盒冷柜中的便當。店員姐姐拿出掃碼槍，紅色的激光掃描出商品的條形碼，商品的名稱和價格立刻顯示出來，再掃描你手機上的付款碼，你用十幾秒的時間就獲得了今天的午餐。  激光掃描二維碼 來源：維基百科 而這激光的產生，同樣也依賴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，有著極為精確的能量。當原子被這樣具有它的“專屬能量”的光攻擊時，它的潛能就會被激發，自己也發出相同的光。  激光器工作原理示意圖 來源：勞倫斯利弗莫爾國家實驗室 這些光在激光器的反射腔里一傳十，十傳百，每一次激發產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 | 發光的魔法：顯示屏與量子點 夜晚，你終于結束了一天的工作，回到家中。你長舒一口氣，決定看一集最新更新的電視劇，給自己的精神世界來一點放松和犒賞。 追求視覺效果的你，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。它們附著在LED背光板上，在背光源的激發下發出不同顏色的光。  一種量子點顯示器 來源：維基百科 在幾納米的尺度下，量子點發光的顏色受到量子力學的牢牢掌控，每一種大小的粒子都對應著一種單獨的顏色，這是一種奇特的“量子尺寸效應”：在宏觀世界，材料的顏色由其化學成分決定；但在納米尺度，物理尺寸本身就能改變其光學性質。用這個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。  不同顏色的量子點材料：粒子尺寸越大，發光顏色越紅；粒子尺寸越小，發光顏色越藍 來源：巴黎理工學院 11：00 PM | 不眠的城市與不息的能量 足夠的放松之后，你再一次進入了夢鄉。而此時，你所在的城市卻并未沉睡。 在這不眠的現代都市里，時刻不停的電力供應，是這座城市運作的關鍵命脈，而其中核能（其能量源于原子核的裂變與聚變）與太陽能（其核心是光電效應，正是愛因斯坦獲得諾貝爾獎的量子理論貢獻）所產生的電力，同樣與量子力學的開拓密不可分。 也許這里的很多人從未學習過量子力學的原理，但我們也都在無意間，一直使用著它，又享受著它給我們帶來的一切。回望百年，量子力學已從科學家的黑板走進你我的口袋；展望未來，量子計算、量子通信等新一代技術正在孕育之中。這個曾經高深莫測的“精靈”，必將為人類文明帶來更加深刻的變革。 原來，那些看起來高端的科學，其實并不遙遠，而我們看似按部就班的生活，其實也充滿奇跡。（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
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 |