編者按：

2025年，距量子力學的誕生恰好過去100年。在這100年間，量子力學已成為現(xiàn)代科學的基石，也改變了我們的日常生活。本系列文章從身邊的常見事物出發(fā)，深入淺出地介紹量子力學的原理，以紀念這一偉大成果，并為更多好奇的人打開了解它的一扇窗。

作為一名物理專業(yè)的學生，因為好奇打開購物軟件搜索“量子”，看到這樣的商品赫然在列，不禁感到瞠目結(jié)舌：

購物軟件上搜索“量子”的部分結(jié)果

學了物理學的人一眼就能看出它們的離譜，但從購買量可以看出，很多人還是會被它迷惑。打著科學的幌子騙人，這也太不厚道了！心中一時氣憤，只想向大家呼吁：

我們現(xiàn)在狹義的“量子科技”產(chǎn)品，主要包括量子計算、量子信息、量子傳感等幾大領域，都沒有被正式投入民用；而廣義的應用了量子力學的科技產(chǎn)品，卻早已融入我們的生活日常，從不會標榜自己用了“量子”科技。所以，那些在名字里帶有“量子”的“科技產(chǎn)品”都不要買，能勸一個是一個！

但是，在認真思考之后，我發(fā)現(xiàn)真的有這樣一個例外，帶著“量子”的名字，還是實打?qū)嵉剡\用了量子力學的原理。既然了解了什么不是，那也要了解什么是才行——下面就讓我們來認識一下這款真正的“量子產(chǎn)品”：量子點顯示器吧。

“量子點”是什么？

顧名思義，量子點顯示器的核心，就在于它所使用的量子點材料。這是一種很小很小的半導體顆粒，每一?？梢孕〉街挥袔准{米，也就是幾十個原子那么大。到了這樣小的粒子尺度，它們就會有區(qū)別于相同成分大塊固體的奇特性質(zhì)，這就是神奇的量子限域效應。

這是什么意思呢？原來，對于大塊的固體，我們在計算其中的電子的能量分布時，用到了一個重要的假設：這個固體是沒有邊界，無限延伸下去的。這個假設一般來說不會出什么問題，因為電子比起塊狀固體來說，實在是太小了。這時，運用量子力學計算出的結(jié)果，就像下圖中最左邊的那樣，是兩條連續(xù)的能帶，藍色的部分就是電子所能獲取的能量。

塊狀材料與限域材料的能帶分布圖?？梢钥闯?，材料的尺寸越小，對應的能帶間隙就越大，光譜的顏色越藍。 來源：Science

但當每一粒材料變成如此小的顆粒時，這個“固體沒有邊界”的假設就失效了。對電子來說，它的活動范圍就像被“限制”在了方圓幾納米的小小區(qū)域，再也不能隨便運動。因此，計算能量的方式發(fā)生了改變，而能帶也從兩條連續(xù)的帶，變成了中間有很多分立的小“樓梯”。

這些“樓梯”的存在，讓小顆粒能發(fā)射和吸收的光的顏色變成了一個很確定的值，也就是取決于兩層樓梯之間的距離。而且，這個顏色是由顆粒本身的大小決定的。就像上圖的右邊所示，當顆粒越小，電子被限制得就越厲害，“樓梯”之間的距離越大，發(fā)出的光也就越藍。

這聽起來好像非常高端，但其實量子點材料的歷史并沒有我們想象的那么短暫。早在公元一世紀，教堂中的彩色玻璃窗中就已經(jīng)運用到了它，只是直到20世紀80年代，蘇聯(lián)的科學家Ekimov才第一次真正認識到這回事。

圣家堂的花窗 來源：維基百科

Ekimov本是一位研究有色玻璃的專家，為了確定有色玻璃中小顆粒的結(jié)構、化學組成以及生長機制，他用氯化銅摻入玻璃，做了一系列實驗。神奇的現(xiàn)象發(fā)生了：由于處理工序的區(qū)別，玻璃中分布的氯化銅晶體的直徑大小從2nm-30nm不等，而玻璃里摻雜的氯化銅顆粒越小，玻璃吸收的光就越藍！

幾乎與此同時，美國貝爾實驗室的科學家Brus在研究光化學反應的時候，也意外地發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象：在他的實驗中所用到的硫化鎘小晶體，光學性質(zhì)隨著晶體顆粒的大小變化而變化。這兩位科學家獨立發(fā)現(xiàn)的成果，正是人類對于量子點的最初認識。

但是，發(fā)現(xiàn)這些還不足以讓量子點成為一個足夠好用的顯色材料。最關鍵的點在于，我們還沒有一種人工合成的辦法，能精確控制想要的量子點的大小，因此，我們就沒有辦法控制它成為我們想要的顏色。

這個問題，在1993年被美國科學家Bawendi和他的團隊解決了。他們發(fā)明了一種“熱注射合成”方法：將室溫下的原料快速注射進熱溶劑中，形成非常微小的晶體胚。這些晶體在溶劑中長大，隨著時間的流逝，它們的顏色逐漸從光譜的藍端漸變到光譜的紅端。

更重要的是，一旦溶液突然冷卻，晶體的生長就會停止，繼續(xù)加熱，生長又會繼續(xù)。所以，只要通過控制溫度，讓晶體的生長停在合適的地方，就能合成出一瓶我們所需的顏色的量子點了。

一個量子點晶體的顯微圖

來源：American Chemical Society（1993）

在這個方法的基礎上，人們終于可以獲得一系列結(jié)構規(guī)則、尺寸明確的量子點材料。2023年，Ekimov、Brus 和 Bawendi 一起獲得了諾貝爾化學獎，以表彰他們發(fā)現(xiàn)與合成量子點的貢獻。

實驗室內(nèi)的量子點材料 來源：顯示世界

從實驗室到顯示器

到這里，量子點材料的應用，已經(jīng)萬事俱備，只欠東風了。那人們又是怎么把它變成顯示器的呢？

目前市面上出售的量子點顯示器，采用的都是量子點背光技術（QD-LCD）。這個原理與液晶顯示屏有點相似，只是把其中的液晶分子換成了顯色能力更好的量子點。

顯示器的基礎，是一塊藍色LED的背光光源。在這塊光源上，覆蓋著一層由量子點材料組成的膜，這些量子點材料可以吸收背光的藍光，再轉(zhuǎn)化為紅光和綠光，組成顯示器的三原色單元。然后，就像控制普通的液晶顯示屏一樣，控制每個單元三原色的組成比例，就可以顯示出各種不同的顏色了。

來源：Samsung newsroom

因為量子限域效應已經(jīng)把這些材料的光譜限制在了很小的范圍內(nèi)，自然，它們所轉(zhuǎn)化出的紅光綠光，也比傳統(tǒng)的液晶顯示屏要更純凈。有了這樣純凈的顯色單元，量子點顯示器能提供的色彩表現(xiàn)力自然就能更高。人們用“色域”來描述一個顯示器所能表現(xiàn)出的色彩范圍，在市面上所有的顯示器中，量子點顯示器就是色域最寬的一個。

不同類型電視屏幕的色域?qū)Ρ?來源：顯示世界

而這還不是量子點的能力極限。其實，量子點材料本身，也可以像我們所見的LED小燈那樣，通了電以后就自己發(fā)光。如果能夠利用這樣的性質(zhì)，做出自發(fā)光的量子點發(fā)光二極管（QLED）顯示器，就能擺脫對背光源的依賴，發(fā)光效率更高，響應速度更快，也能做得更輕薄。這項技術目前在提高分辨率上還有一定的門檻，所以還沒有進入商品化的階段，但是非常值得期待！

不止于顯示器

現(xiàn)在，我們已經(jīng)領略了量子點在顯示領域的高超能力，但如果以為量子點只能被應用在顯示領域，就太小看它了。

量子點在各領域的應用前景 來源：Science

在生物醫(yī)學領域，量子點可以成為優(yōu)秀的“熒光探針”，在生物成像和醫(yī)療診斷方面大顯身手。它還可以作為靶向藥物的載體，把藥物精準地輸送到目標細胞中去，避免對其它細胞造成的傷害。

在能源領域，量子點材料有希望提升太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率，降低太陽能發(fā)電的成本。

在量子計算領域，由于量子點的物理特性可以被精確地設計，它成為了構建量子計算

機的最小單元——“量子比特”的有力候選者。另外在照明、傳感、甚至防偽等眾多領域，量子點材料也都以自己獨特的性質(zhì)，成為了那一顆充滿希望的“未來之星”。

量子點的故事，是實驗室中的前沿科研成果走進日常生活的優(yōu)秀范例。僅僅用了30年的時間，就從一項新的科學發(fā)現(xiàn)，變成了購物軟件里容易買到的商品，這真是不可思議的成就！要做到這一點，離不開科學家提出優(yōu)越的合成技術，也離不開科技企業(yè)將科研成果轉(zhuǎn)化的決心和動力。這絕不是像某些偽科學商家那樣，通過一些名詞的包裝與營銷的手段就能實現(xiàn)的事情。

好在現(xiàn)在，對于“量子”這門新興的科技，依然還有無數(shù)科學家和研發(fā)人員為了它不懈奮斗著。希望在不遠的將來，我們就能用上越來越多這樣真正的“量子好物”！

作者：張一凡

審核：魏紅祥 中科院物理研究所研究員

本文來源科普新媒體平臺“蝌蚪五線譜”，已經(jīng)授權發(fā)布