出品：科普中國

作者：欒春陽（清華大學物理系）

監(jiān)制：中國科普博覽

就在前不久，2023年諾貝爾化學獎授予了三位研究**量子點（quantum dots）**領域的科學家，以表彰他們在發(fā)現(xiàn)和制備量子點方面作出的杰出貢獻。

這三位獲獎者分別是美國麻省理工學院的蒙吉·巴文迪（Moungi Bawendi）教授，美國哥倫比亞大學的路易斯·布魯斯（Louis Brus）教授和俄羅斯科學家阿列克謝·伊基莫夫（Alexei Ekimov）。

榮獲2023年諾貝爾化學獎的三位科學家

（圖片來源：Nobel Prize Outreach）

那么，到底什么是量子點？他們?nèi)豢茖W家在量子點的發(fā)現(xiàn)和制備過程中有哪些有趣的故事？量子點的出現(xiàn)和應用又給我們的生產(chǎn)和生活帶來了哪些改變呢？

量子點：會發(fā)光的納米顆粒

量子點就是一種會發(fā)光的納米顆粒，其顆粒尺寸通常在1—10納米之間，并且一般由5—50個原子組成。因此，量子點并不是類似于原子或者電子的微觀基本粒子，而是由一定數(shù)量的原子構成的納米顆粒。

從長度單位的換算關系來看，1納米等于十億分之一米，或者百萬分之一厘米，我們普通人的一根頭發(fā)絲直徑大約是5—6萬納米。因此，納米世界是一個完全新奇的微觀世界。

相信有很多小伙伴會好奇：量子點明明聽起來像一個物理概念，可為什么會獲得諾貝爾化學獎呢？

其實，在微觀世界中，很多時候我們需要用納米（nm）來描述顆粒大小。而量子點的發(fā)現(xiàn)和制備，可以算是人類在納米技術領域的一次里程碑式的突破。如果從物理學的角度來看，量子點體現(xiàn)了人們對于納米技術的精細調(diào)控能力，因而更加側重于應用技術，而非物理學的某種基礎性突破。

而如果從化學的角度來看，這三位科學家發(fā)明并且完善了大規(guī)模制備量子點的化學技術，為納米技術的發(fā)展提供了重要的化學技術支持。

那么，在化學領域上有著巨大潛力的量子點又具有哪些獨特的性質(zhì)呢？

原子與最外層電子的示意圖

（圖片來源：veer圖庫）

材料的發(fā)光特性是由材料的微觀結構決定的，而材料微觀結構之間的差異，則體現(xiàn)在構成材料的原子最外層電子的不同狀態(tài)上。也就是說，最外層電子處于不同狀態(tài)時，材料的發(fā)光特性也會隨之改變。

量子點的物理尺寸十分微小，這就導致構成量子點的原子的最外層電子，會受到空間尺寸的限制而無法自由移動。而這種空間尺寸上的限制，會導致最外層電子的能量也只能選取特定的值。

這種電子只能選取特定能量的狀態(tài)，與宏觀世界中的發(fā)光材料很不相同。這是因為宏觀世界中的材料中的最外層電子不受限制，可以自由移動，因此其電子能量是連續(xù)的取值。

限制在不同尺寸區(qū)域的電子示意圖

（圖片來源：veer圖庫）

也就是說，**對于某種特定尺寸的量子點，其內(nèi)部的電子就會隨之限制在不同尺寸的區(qū)域內(nèi)，從而顯示出特定的能量狀態(tài)。**而當量子點受到外界條件的激發(fā)作用時，其內(nèi)部的電子就會根據(jù)自身不同的能量狀態(tài)，而受激輻射出不同波長的熒光。

不同納米尺寸的量子點所激發(fā)出的不同熒光

（圖片來源：veer圖庫）

一般而言，量子點的顆粒尺寸越大，其內(nèi)部的電子能量狀態(tài)就會越低，相應的受激輻射出波長更長的光（即接近紅光）；而當量子點的顆粒尺寸越小，其內(nèi)部的電子能量狀態(tài)就會越高，就可以受激輻射出波長更短的光（即接近藍光）。

綜上所述，量子點是一種人工制造的會發(fā)光的納米顆粒，其特殊之處在于，我們可以人工制備出不同納米尺寸的量子點，來特定地調(diào)控量子點所發(fā)出的熒光顏色。

發(fā)光有什么神奇的？的確很神奇！

看完量子點的功能，你是不是覺得，這不就是普通的發(fā)光材料嗎？為什么還值得發(fā)諾獎呢？

在回答這個問題之前，不妨讓我們回顧一下中學時代的光學知識吧。

根據(jù)經(jīng)典光學的描述，光的本質(zhì)是一種電磁波，不同波長的光會呈現(xiàn)出不同的顏色。其中，我們?nèi)搜劭梢姷牟噬庵徽紦?jù)光譜很小的一部分，相應的波長大約在400納米—700納米。當波長從700納米減少至400納米時，人眼感受到的顏色在紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫及其之間的多種顏色中變化。

人眼所能感知的可見光（波長與對應顏色）

（圖片來源：veer圖庫）

各種顏色的光雖然繽紛繁雜，但都是由紅色（700納米）、綠色（546.1納米）和藍色（435.8納米）這三種顏色的基本光以不同的比例疊加成的，因此，紅、綠、藍也被稱為光的三原色（RGB）。我們?nèi)搜鄹惺艿降陌坠猓褪侨缺壤B加得到的。

紅綠藍三原色示意圖

（圖片來源：veer圖庫）

我們需要區(qū)別，彩色光的提取和制備是兩個不同的概念。對于彩色光的提取而言，我們只是反過來利用光的三原色原理，利用濾光片或者三棱鏡將白光中特定顏色的光給過濾出來。也就是說，我們只是從自然界中提取特定顏色的光，而非人為制備出所需的彩色光。

白光經(jīng)過三棱鏡后分解成為各種彩色光

（圖片來源：veer圖庫）

因此，如果我們想要人工制備出特定顏色的光，按照原來的辦法就只能先得到純凈的紅色、綠色和藍色光源，然后再調(diào)整三原色不同的混合比例，從而得到特定顏色的光。然而，這種傳統(tǒng)的發(fā)光機制卻在實際應用中存在兩個嚴重的問題。

其一，獲取純凈并且長期穩(wěn)定的三原色單色光源，其實是很困難一件事情。這是因為，單色光源在實際工作中會受到環(huán)境條件影響而發(fā)生波長的偏移（即光衰）。也就是說，單色光源在實際使用一段時間后就不再是標準的紅、綠、藍三原色。

基于紅綠藍三原色的發(fā)光顯示屏的最小像素點

（圖片來源：veer圖庫）

其二，要想發(fā)出任意顏色的光，就需要每個最小發(fā)光單元上都集成紅、綠、藍三原色單色光源。如此一來，不僅僅提高了工業(yè)制造的生產(chǎn)成本，而且由于單色光源會發(fā)生光衰，合成出來的彩色光也會存在色彩失真的問題。

而量子點的出現(xiàn)正好解決了傳統(tǒng)發(fā)光材料的上述問題。

量子點的解答

量子點能解決以上問題的原因有二。

首先，量子點的發(fā)光特性是由自身的納米尺寸決定的，不會受到外界工作環(huán)境的影響而改變納米尺寸。也就是說，只要量子點在制備完成后，其自身的發(fā)光特性理論上就不會受到工作環(huán)境的影響。此外，通常情況下，量子點在制備完成后也被穩(wěn)定地封裝起來，這也進一步提高了量子點發(fā)光特性的長期穩(wěn)定性，并且延長了使用的壽命。

量子點合成的化學方法示意圖

（圖片來源： Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences.）

其次，不同納米尺度的量子點具有不同的發(fā)光波段，因而人們可以精確調(diào)控量子點的納米尺寸，來獲得顏色十分準確的單色光。

也就是說，我們可以采用量子點發(fā)光技術直接得到所需的彩色光，從而避免了傳統(tǒng)的彩色光合成技術。此外，人們已經(jīng)掌握了大規(guī)模制備量子點的化學合成技術，可以大批量制備出發(fā)光特性穩(wěn)定的量子點，從而降低了生產(chǎn)成本。

也正是由于量子點有發(fā)光范圍廣、特性穩(wěn)定以及使用靈活等優(yōu)勢，使得量子點擁有了廣泛的應用前景。

可穿戴的微型設備

（圖片來源：veer圖庫）

除了在生活場景中使用外，量子點技術還可以作為量子信息的載體，有望實現(xiàn)奇妙的量子計算。這是因為，量子點中的電子被限制在幾個納米的尺度內(nèi)，在外界磁場的調(diào)控下，其內(nèi)部的電子能態(tài)可以劈裂成為高/低兩個狀態(tài)，從而可以分別編碼成為1態(tài)和0態(tài)。

也就是說，我們可以人為調(diào)控量子點內(nèi)部電子不同的能量狀態(tài)，從而構成良好的二能級系統(tǒng)，即“量子比特”。這種基于量子點技術的量子計算方案能夠與現(xiàn)今主流的集成電路工藝相兼容，已經(jīng)吸引了學術界的廣泛關注。

結語

綜上所述，量子點的發(fā)現(xiàn)和制備是人類科技發(fā)展上的一次重大突破，人們可以根據(jù)自身的需要來精確調(diào)控納米尺寸的量子點，并且展現(xiàn)出廣闊的應用前景。

因此，量子點技術也被科學家認為是現(xiàn)代納米技術的種子，為人們打開了通往納米世界的一扇大門。而量子點也賦予了我們創(chuàng)造任意彩色光的能力，從而點亮了五彩繽紛的世界。

量子計算概念圖

（圖片來源：veer圖庫）

既然量子點技術這么神奇有趣，那么是否有小伙伴疑惑，量子點中的“量子”又體現(xiàn)在哪些方面呢？量子點被發(fā)現(xiàn)的背后又有哪些精彩的科學故事呢？請各位保持好奇心，跟隨作者在下一篇文章中尋找答案吧！