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从小小的量子点谈起

时间: 2021-04-24 10:52:01 | 作者：少司命 | 来源: 喜蛋文章网 | 编辑: admin | 阅读: 114次

从小小的量子点谈起

如果把一个量子系统从三个方向上束缚在材料中，使其变为准零维的系统会怎样？

量子点的概念相信很多人有所耳闻。一个比较贴近大家生活的案例是三星用于屏幕的的量子点LED技术。 小小的量子点，可以发出各种各样颜色的光，人们还可以很好的控制这些量子点的位置和发光纯度进而用于屏幕技术。

简单来说，量子点可以理解为在三个空间维度都被限制住的零维的量子系统。比如电子就可以被限制在几十纳米的势阱内。它的特性是具有分立的能级，就像人造的原子一样，电子在这些能级中跃迁会发出不同波长(也就是不同颜色)的光，因此量子点一个很广泛的应用便是荧光。不同大小的量子点会有不同的能级结构，从而各种大小的量子点可以发出五彩斑斓的颜色。像上面提到的三星的技术，便是它的一个应用。

不同大小硒化镉量子点发出的荧光。图片来源: Rice University

自从上世纪八十年代提出以来，除了荧光方面，量子点还同时已经应用于发展量子点激光器、量子点太阳能电池和量子点光电探测器等各种各样高性能的半导体器件。而最早提出量子点及量子点激光器的，便是来自日本东京大学的荒川泰彦(Yasuhiko Arakawa)教授。

Arakawa教授在1980年从东京大学获得电子工程专业的博士学位后，同年就在东大拿到了助理教授的职位，第二年便被提升为副教授。这无论在当时还是现在看来，都是非常快的晋升速度了。提及此处，笔者曾有幸和Arakawa教授有一个简短的访谈，当时问道他怎么样保持科研的动力和热情，教授笑着回答道可能和快速的职业发展有关吧，这让他可以继续专心享受科研的乐趣，而没有现在大学新入职的青年学者常有的非升即走的压力。这在如今的青年学者看来是非常令人羡慕的。

荒川泰彦(Yasuhiko Arakawa)照片, 图片来源：东京大学新闻网

Arakawa自从博士开始就对半导体中的量子现象特别的感兴趣，在拿到教职后更是潜心于此。得益于当时东京大学的政策，也就是教授不需要负责学生的工资因此没有那么多申请经费的烦恼和桎梏，他可以专心的从事着自己喜欢的科研。1982年，也就是在他拿到副教授职位的第二年，一篇文章横空出世:《多维度量子阱激光器及其阈值

电流的温度依赖性》。在这篇发表于《应用物理快报》的文章中，他和同事首次提出了量子点的概念以及其在量子点激光器中的应用。

1982年发表于《应用物理快报》的文章

这里我们简要聊一下这个工作在讲什么。要说这篇文章，首先得先介绍一下量子阱的概念。简单来说，一个一维的量子阱是把载流子在某个方向的运动给限制住(局域化)，使其只有另外两个方向的运动。就像一个人夹在两堵墙中间，只能上下跳动或者前后移动。在Arakawa等的这篇文章考虑了更多维度的量子阱，亦即将载流子从二维或者三维空间中束缚住，得到一维或者准零维(量子点)的结构。他们发现，由此得到的激光器，对温度的依赖性很低，也就是有很高的温度稳定性。

要知道，半导体激光器的温度敏感性是其一个很重要的参数，这决定了它的可应用场景。量子点激光器的高稳定性使其可以在对温度环境要求比较苛刻的系统中工作，而且可以减少激光器的温度控制模块进而大幅减少整个系统的能耗和尺寸等。此外，人们还发现，量子点激光器还有诸如低阈值电流(意味着更少的能耗)， 高调制速率等许许多多的优点。

从1982年的这篇文章开始，量子点便得到了非常广泛的研究。从制备上来看，人们发展了自组装或者电场约束等方法来合成量子点；从应用上，量子点在光学(利用其荧光特性)，电子学和功能材料(如基于量子点的各种电子学器件)，生命科学(如作为荧光标记物)，新能源(如用于太阳能电池的频谱转换)等各个领域都有许许多多的应用。值得一提的是，量子点由于具有分立的能级，近年来也成为量子计算领域的热门平台。在低温下它可以冷却到能量的基态，并且可以通过微波等外场控制其能级，其状态又可以通过自旋电荷转换来读取出来。这些性质使得其可以作为量子比特，用来开发量子计算机。其优势之一在于，半导体工艺如今已经非常成熟，基于硅基等的量子点有着不错的集成特性，适于未来多比特量子计算机的开发。

囚禁在半导体材料中的电子(蓝色箭头)可以用于存储量子信息，周围为核自旋(黄色箭头)。图片来源: Fabian Flassig, TUM Physics

而在这些年的发展之中，Arakawa教授继续着他“开挂”的学术道路,又完成了一系列重要的工作。比如他于1992年与同事首次观察到半导体微腔内的激子-极化子。近年他还领导小组第一次实现了量子点增益的3D光子晶体纳米腔激光器。作为领域开创者，Arakawa教授已经有超过800篇期刊文章发表，在国际会议上有超过450个邀请报告。他获奖无数，还同时是美国国家工程院外籍院士以及IEEE/OSA/JSAP和IEICE的会士.

3月19日北京时间晚上九点，我们有幸邀请到Arakawa教授来到iCAN-X讲座系列，来和我们分享量子点的发展和前沿应用。讲座将会涵盖量子点的基础知识，并延伸至其在激光器,电信和各种器件中的应用。同时我们还邀请到北京大学王新强教授作为论坛嘉宾。在时长一个小时的学术讲座后，Arakawa教授和王教授将会在论坛环节来讨论相关的科研问题和对未来的发展展望，而笔者本人也非常有幸地将会作为青年学者(X-Challenger)参与其中。

具体的讲座信息和视频链接会在ican-x.com官网推送，欢迎大家关注参与，一起聆听学术名家的分享！

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文章标题: 从小小的量子点谈起
文章地址: http://www.xdqxjxc.cn/jingdianwenzhang/103872.html
文章标签：量子  科普  讲座
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