2023年诺贝尔化学奖探秘:量子点的发现与应用

作者: 牧心

来源: 科学大院

发布日期: 2023-10-08 13:48:55

2023年诺贝尔化学奖授予三位科学家,表彰他们在量子点发现与合成方面的贡献。量子点是一种将微观现象“放大”并带入现实生活的新材料,具有特殊的光学特性,可以发出特定颜色的光,广泛应用于显示屏、生物医药研究等领域。

2023年10月4日,瑞典皇家科学院将2023年度诺贝尔化学奖授予法国科学家蒙吉·巴文迪、美国科学家路易斯·布鲁斯和俄罗斯科学家阿列克谢·叶基莫夫,以表彰他们为发现与合成量子点做出的贡献。量子点是一种将微观现象“放大”并带入现实生活的新材料。近几年来,随着量子科学的发展,量子点并非浪得虚名。量子力学是微观世界的主宰,描述的是原子内部的电子运动。

1926年薛定谔方程刚提出的时候,人们提出了一个方便学习的简化模型:盒中粒子问题。假设有一个小盒子束缚住了一个电子,考虑电子的波粒二象性并且通过薛定谔方程的求解,最终可以得出结论:这个被束缚的电子会表现出很强的波动性,它的能量会与“盒子”的大小密切相关:盒子越小,电子波的能量越高。

在1937年,英国物理学家赫伯特·弗勒利希在计算这道练习题的时候发现了如果这个盒子的尺寸超过单个原子的大小,那么计算出来的电子运动将得到很奇怪的结果。虽然单个原子不会有10纳米这么大,但是一些特殊的“盒子”理论上是可以做到纳米大小的颗粒的。弗勒利希的计算预言,10纳米的金属颗粒与大块金属相比,一种称为“电子比热”的性质将发生非常可观的变化。

也就是说,纳米尺度下量子力学仍然适用,但在大尺度下不适用,导致不同尺度下的材料性质发生了变化。这其中最引人注目的一个效应,也是在本次诺奖发布会上科学家所展示的一个效应,就是这些纳米大小的颗粒在吸收能量后会发出特定颜色的光。彩⾊玻璃是古老的发明,但其中颜色的原理却蕴含着深刻的量子机制。量子点给人类带来非常大的益处,我们对这一技术潜力的探索才刚刚开始。

在未来,量子点可以帮我们创造更灵活的电子产品、更微小的传感器、更薄的太阳能电池,也许还有加密量子通信。

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