翻开咱们的电脑、手机等常常征战，你就会发掘，诺贝尔奖的成效离咱们的糊口之近，远超设想：

晶体管——年诺贝尔物理学奖

集成电路——年诺贝尔物理学奖

显示屏里的液晶旨趣——年诺贝尔物理学奖

液晶屏背面的LED——年诺贝尔物理学奖

供电的锂电池——年诺贝尔化学奖

电脑的磁盘——年诺贝尔物理学奖

摄像头背面的CCD——年诺贝尔物理学奖

墙上WiFi连的光纤——年诺贝尔物理学奖

光纤里的激光——年诺贝尔物理学奖　

GPS卫星上的原子钟——年诺贝尔物理学奖

除了得到年诺贝尔化学奖的锂电池之外，其余成效都获患有诺贝尔物理学奖。

纵观这些成效，它们是消息手艺的紧急构成部份，其背面的旨趣都来自于量子力学。物理学家们在以量子力学为根底的固结态物理和量子光学等物理学科根底上，开辟出了改观天下的消息手艺，催生了人类第三次科技革新（消息革新）。

即日，咱们就从消息革新的主角——半导体提及。

文

张文卓

编纂

王乙雯眺望智库

本文为眺望智库首创文章，如需转载请在文前讲授起原眺望智库（zhczyj）及做家消息，不然将矜重深究国法义务。

1

从半导体到集成电路

一部“硅谷降生史”

半导体，顾名思义，导电才略介于导体和绝缘体之间。早在年，半导呈局面就被电磁学的奠定人法拉第发掘，但到20世纪初，物理学家也从来没法相识个中的旨趣。直到量子力学的建树，半导体的导电旨趣才水到渠成。

怎样知道这一流程？要从原子提及。

量子力学奉告咱们，原子颠末化学键产生份子，化学键来自不同原子最外层电子的配对。这些最外层电子被称为“价电子”，它们不但属于以前住址的原子，也属于与之成化学键的电子以前住址的原子。要是每一个原子的价电子城市与范畴多个原子的价电子产生化学键，那末这个“大分子”也许无尽地扩大下去，这就产生了固体。

在固体中，原子正常遵照周期性布列（即晶体），那末这些价电子好像置身于在一个周期性的原子吸引阵列中，称之为“晶格”。年，菲利克斯·布洛赫颠末求解周期势阱中的薛定谔方程来治理晶体中价电子的举动，得出了布洛赫定理。在该定理中，电子的波函数具备了和晶格周期相同的周期散布，而且能量散布曾经不再是单个原子中产生的能级，而是变成了“能带”，这便是建树在量子力学上的固体能带理论。

当周期性的原子吸引阵列对价电子的吸引较弱，即晶格的势能较浅的时分，也许对布洛赫定理做自在电子类似，得到的终于也许很好地形貌导体中的价电子的举动。也便是说，导体中价电子的能带很高，挨近自在电子。咱们称自在电子的能带为“导带”，价电子的能带为“价带”。关于导体来讲，导带和价带是重合的。

当周期性的原子吸引阵列对价电子的吸引较强，即晶格的势能较深的时分，也许对布洛赫定理做紧束缚类似，即电子波函数变成一组局域化的旺尼尔函数。这个函数也许形貌绝缘体中价电子的举动，即绝缘体中，价电子都牢牢束缚在原子范畴，电子须要增进不少的能量才气挨近自在电子，也便是说电子的“价带”离“导带”能量差不少。

那末半导体就对照轻易知道了，它的价电子的能带正益处于导体和绝缘体之间。也便是说，半导体的“价带”离“导带”特别近：当外界职掌（如加电压或许用光照耀）让它的价电子的能量抬高，从价带加入导带，那末它就变成了导体。让它的价电子的能量消沉，它就会回到价带，变成绝缘体。

图中从左至右次第为导体、半导体、绝缘体的导带（蓝）和价带（红）对照。

恰是半导体的呈现，让数字推算机变小变轻成为也许，终究走进千家万户、走到每部分的手中。而数字推算机的创造，离不开“二进制运算”的创造。

咱们晓得，推算机用比特（0或1）做为消息的最小单位，采取二进制计数法，用输入比特来职掌输出比特的终于，进而完成百般数字逻辑门的功效。唯有能完成这些二进制数字逻辑门，就也许完成随意二进制运算，也就完成了数字推算机。

二进制数字逻辑门。

年降生于美国的ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer，即电子数字积分推算机），是天下上第一台数字推算机。它操纵了洪量的真空电子管来完成二进制数字逻辑门，体积硕大到占用一百多平方米的房间，分量抵达28吨。

昔日这些硕大的电子管推算机时时被飞来的虫子搞短路，因而那时维修推算机的做事便是四处算帐这些虫子。目前把程序的过失称为“bug”，原来就来自于它的良心“虫子”，清除推算机障碍就叫做“debug”。

半导体是怎样让笨重的数字推算机“削减”的呢？

谜底是晶体管。操纵半导体系成的晶体管，也许颠末施加电压来管制个中的电流和其两头的电压，即输入比特用0示意不施加电压，用1示意施加电压；输出比特用0示意没有电压，用1示意有电压。

下图便是用晶体管完成百般数字逻辑门的例子，输入比特（inputA，B）做为电压也许管制输出比特（outputC）的值。

用晶体管完成的百般数字逻辑门。

在半导体晶圆上刻制洪量的晶体管逻辑门，完成通用二进制数字推算功效，就成了集成电路，即常常所说的芯片。集成电路是总共电子征战的中心，没有它，就没有电脑和手机，乃至连收音机和电视机都不会有。

也许说，从晶体管到集成电路的汗青便是一部硅谷的降生汗青。

从肖克莱到“八叛逆”，从仙童到英特尔，这一段汗青是20世纪后半段最值得写的汗青。

2

从量子光学到激光通信

将全天下连合起来

光学是物理学最陈旧的一个分支，从古于今经验了几许光学、摇动光学、量子光学三个期间。个中几许光学与摇动光学类似，属于典范物理学的一部份，在麦克斯韦用他的方程组推导出电磁波后，便和电磁学统一在一同。理论上，电磁波（光）和典范力学旨趣存在冲突，其速度（光速）固定性终究致使了爱因斯坦发掘狭义相对论，尚有其波粒二象性终究致使了量子力学的呈现。

与典范光学不同，量子光学是齐全建树在量子力学根底上的“表层兴办”。也便是说，量子力学终究令人类相识了光的实质——光是由光量子（光子）构成的，且光子之间具备量子关系性。

光的量子天性为人类带来了意料不到的成效，那便是激光。

*激光理论最先也许追究到年爱因斯坦对光电效应的进一步协商，他提议了“受激摄取、受激辐射、自愿辐射”三个物理流程。然则那时量子力学还未建树，因而属于唯象理论。

*量子力学建树往后，年法国物理学家卡斯特勒操纵量子力学预言并发掘了“光泵浦”局面，并获患有年诺贝尔物理学奖。

*随后几年，美国物理学家汤斯、苏联物理学家普罗科诺夫和巴索夫别离发掘光泵浦也许致使原子能级的布居数回转，并能使微波的受激辐射强调（maser），他们是以获患有年诺贝尔物理学奖。

*年，汤斯和他的博士后肖洛预言微波的受激辐射强调也许促成到看来光波长，即激光。

*年，梅曼创造了第一台光的受激辐射强调装配，即激光器。随后激光器被洪量研发出来并运用到了光学协商之中。肖洛后来和布洛姆伯根颠末激光光谱学获患有年诺贝尔物理学奖。

仰仗其余光源不行对照的单色性和准直性，激光成为了人类最紧急的光源之一。在产业上，激光曾经做为最尖锐的切割刀来操纵。

不过，让激光能成为和半导体集成电路具备雷同“江湖身分”的关键，是激光通信的呈现。

在激光呈现以前，起先进的通信方法有两种：一个是用电磁波的无线通信，另一个是用电流的有线通信。无线通信从来运用于今，包罗初期的射频无线电，到微波频次的摹拟记号，又到2G、3G、4G乃至5G数字通信，这是激光通信不能庖代的。但关于有线通信来讲，一根电线一次同时只可传输一个电流，不管是摹拟记号依然数字记号，消息传输才略都远远不及激光。

光纤的呈现为激光通信的大畛域运用摊平了道路。在一根光纤中，可理睬不同频次的激光同时宣扬且互不影响（光源之间不关系），是以信道容量弘大于电线。特别关于远间隔通信，激光在光纤中的能量斲丧远小于电流在导线中的斲丧，是以光纤的发烧量也远远小于电线。这些上风使得光纤激光通信成为了通信电缆的“完满”取代品。华人物理学家高琨是远间隔低斲丧光纤的创造人，他也是以获患有年诺贝尔物理学奖。

目前，激光通信操纵的海底光缆曾经遍及寰球各大洋，将全天下连合起来。都市中每个家庭、学塾和办公楼都有了光纤宽带入户，每一居民不管网线依然无线WiFi，总共的消息都要从墙里的那根光纤收支。

光纤激光通信曾经成为了高速互联网的根底，支柱起了现即日下硕大的互联网财产。要是没有光纤激光通信，咱们的消息宣扬会依然停息在打电话的阶段，电线极低的消息传输速度和高斲丧，使得互联网只可是一些量人的“奢华品”，而且只可发电子邮件，观望网络视频更无从谈起。

和半导体集成电路相同，这个源自于量子光学的创造——激光，成为了消息期间最紧急的脚色，齐全改观了人类的糊口。

3

巨磁阻效响应磁盘

消息储备的玄妙

前方提到，半导体和激光在消息期间的身分举足轻重，半导体集成电路负责推算，激光负责通信。别的，尚有一个特别紧急的层面——消息储备。“推算—通信—储备”三者相反相成，产生了消息的崎岖畛域。

二进制消息的储备方法首要有三种：第一种是半导体储备，即半导体闪存旨趣，每个晶体管于是不是导电来代表0或1。咱们日常操纵的电脑内存条、U盘、固态硬盘等，都是半导体闪存。第二种是光储备，即光盘。在光盘材料上镌刻满轻微的镜子，以反射的激光是不是遵照请求的方位来代表0或1。第三种的汗青最为久远，那便是磁性储备，即操纵固体的磁性来纪录消息。

物体的磁性是量子力学决议的，而电子自旋是量子力学和狭义相对论联结的终于。每个电子都具备1/2自旋，当和电磁场（光子）互相做历时就显现出一个磁矩，即电子的自旋轴方位会和外界磁场方位趋于一致。

“当一个物体具备没有填满的电子轨道时，这些原子的电子自旋没有互相配对对消，那末余下的这些电子的自旋就会顺着磁场方位布列，即显现为顺磁性。当一个物体由电子轨道都被填满的原子构成时，顺磁性就会消散，电子轨道角动量由于电磁感觉而产生的抗磁性会显现出来（远小于电子自旋的顺磁性）。当一个物体的原子最外层电子轨道恰巧填满了一半，那末这些电子会自愿地让自旋方位一致，进而坚持能量最低。洪量电子一致的自旋方位就让这个物体显现出了宏观的磁场，这个便是铁磁性的，比方磁铁。”

恰是海森堡在年颠末电子自旋给出了铁磁性的这个量子力学注释，让人们相识到物体的磁性直接来自于量子力学决议的电子自旋。

在二进制消息大范围操纵以前，磁带曾经做为摹拟记号的储备方法获患有宽泛的运用。即声响、影象等变化为摹拟记号电流，颠末电流的磁场改观把电流记号纪录在磁带的磁性粉末的布列次第上。消息读取时颠末强磁性的磁头读取这些磁性粉末的布列，再变化为以前的电流记号。跟着20世纪80岁月推算机大范围遍及，保守的磁带和磁头曾经没法餍够数字消息期间的须要。

年，法国物理学家菲尔特和德国物理学家格伦贝格发掘了巨磁阻效应，即一种材料的电阻对外界磁场方位极为敏锐。巨磁阻材料由两层铁磁性材估中央夹一层非铁磁性材料所产生。

当这两层铁磁性材料的磁矩方位雷同时，巨磁阻材料的电阻会特别小。当这两层铁磁性材料的磁矩方位相悖时，巨磁阻材料的电阻会变得特别大。因而用巨磁阻材料去扫描铁磁性颗粒，这些颗粒会改观挨近它的一层铁磁性材料的磁场方位（即磁化），而这个方位的改观会致使巨磁阻材料内部电流的庞大改观。

是以也许用轻微磁性颗粒的磁场方位储备消息：用巨磁阻材料做为磁头，对应磁头上无电流和电流最大的两个磁场方位编码为0和1，云云就也许将洪量比特储备在一张磁盘上，用巨磁阻磁头读写，这便是电脑硬盘的旨趣。

巨磁阻材料让电脑硬盘成为了储备可读写消息的密度最大介质，菲尔特和格伦贝格是以获患有年诺贝尔物理学奖。

同光盘被庖代相同，尽管磁盘也有被基于半导体闪存的固态硬盘所庖代的趋向，然则今朝的大容量储备墟市仍然以磁盘为干流硬盘。由于固态硬盘不管是寿命依然容量，今朝还没法和最佳的磁盘比拟。

不过，跟着半导体闪存手艺不停革新换代，磁盘也有也许像光盘相同成为汗青，但这丝绝不影响磁性材料为消息革新做出的紧急奉献。

4

显示器和数码摄像头

与实际天下的交互

咱们罕用的电脑和智专家机等征战，除了须要具备对二进制数字消息施行通信、推算、储备三个主邀功效之外，还须要和实际天下施行交互。比方，颠末灌音、摄影和摄像把实际天下的声响和图象变化为二进制数字消息；再颠末显示器和扬声器把数字消息变化成图象和语音，让人也许望见和闻声。

这些图象的输出和搜集征战中四处也许望见量子光学的影子。

在先容激光时，咱们提到激光就来自于物资对光的受激辐射。而物资的自愿辐射发光和激光不同，它是由构成物资的原子与光的真空态互相效用的终于。

年，奥地利物理学家韦斯科普夫和匈牙利物理学家魏格纳在量子力学根底上建树了光的自愿辐射理论，即电子（或许原子核）与光的真空态产生互相做历时，会自愿地从高能级跃迁到低能级并向四周八方辐射出光子。但凡被外界能量激起到某个激起态能级或能带的电子，城市产生自愿辐射局面，跃迁回基态并发射出光子。

任何非激光的发光实质上都和自愿辐射相关，包罗黑体辐射。

在常常糊口中最罕见的看来光波长的自愿辐射局面便是荧光。从荧光粉，到日光灯，从来到LED（发光二极管）都属于自愿辐射荧光局面。尚有萤火虫，其腹部的荧光也是卵白质分子里电子产生的自愿辐射。

要点要说的是LED。由因而半导体材料，其导电的电子的能级被“电子—空穴对”束缚得对照窄，乃至挨近原子能级的宽度，是以也许发出单色性特别好的自愿辐射。LED省电、发烧小，成本远远低于激光，在不请求光准直性的情景下比激光更有上风。是以，LED渐渐淘汰了保守的灯胆和日光灯，成为了今朝人们所操纵的首要光源。

咱们电脑和手机操纵的显示器属于液晶显示器，但液晶自身并不发光，惟独筛选让光颠末几许百分比的功效，因而液晶显示器的发光部份原起原自于背面的LED屏。LED屏发出的白光先颠末红绿蓝三色像素过滤屏，再颠末液晶屏调整每一个像素的亮度（红绿蓝三色像素每一个前方都有一个液晶像素，颠末透过光的亮度来筛选颜色比例），终究显示出咱们在屏幕上看到的图象。

LED呈现往后，红光和绿光很快呈现，但蓝光波长的LED从来是个“硬骨头”，直到中村修二、赤崎勇、天野浩三人治理了这一困难，LED才得以宽泛运用到即日。三人是以获患有年诺贝尔物理学奖。

在图象的搜集征战中，相机是人们糊口中不行或缺的征战。

在20世纪，菲林从来是纪录图象的首要方法。拍在菲林上的图象须要在暗室顶用药水浸泡和透镜强调才气显目前相片上，俗称“洗相片”。片子画面也是每秒钟摄影24张图象在胶片上，须要一张张洗出来。靠着卖菲林和洗相片，柯达公司一度成为寰球最赢利的公司。

即日，这总共跟着21世纪初数码相机的大范围呈现而被齐全改观了。而数码相机最中心的部份，便是庖代胶片的CCD感光芯片。

CCD全称charge-coupleddevice（电荷耦合器件），由年贝尔实践室的两位工程师博伊尔和史小姐创造。CCD操纵的便是半导体的光电效应，由光子打在每个像素点上被电子摄取，电子变成自在电子产生电流，电流的巨细正比于光子的数目。

光电效应实质上也许用量子光学中的光电离流程直接形貌。CCD的参数里时时提到“量子效率”这个词，道理便是从一个像素点产生的自在电子数和照耀在这个像素点上的光子数的比例。博伊尔和史小姐由于创造CCD获患有年诺贝尔物理学奖。

目前，咱们手机上的相机所用的感光芯片曾经从CCD交换为了CMOS，后者指的是一种建立集成电路的“互补金属氧化物半导体”手艺。用CMOS手艺建立出的半导体感光芯片相同采取光电效应，量子效率比CCD差一些，然则成本和功耗远低于CCD。而且，每个像素的电流直接变成电压并以二进制数字记号传给储备器，使图象责罚速度更快。今朝民用墟市首要操纵COMS，而CCD则首要在须要低噪音和高量子效率的科研及产业畛域操纵。

5

原子钟和GPS

精确界说光阴和方位

确切地纪录光阴是人类文化最紧急的标识之一。从古代的日晷到近代的钟摆，光阴的计量方法在不停地退化。产业革新时代创造的板滞钟表从来是人类板滞建立工艺的颠峰。

到了20世纪下半叶，第三次科技革新（消息革新）让石英晶体震撼器成为了更确切的计时方法，并大幅拉低了钟表的代价。目前总共的电子征战中都装备着石英晶振来计时，它操纵石英晶体在施加电压时产生的震荡频次，计时精度正常能做到一年只差一秒左右，餍足咱们常常糊口所需。

然则在高精尖的科技畛域，人类须要更确切的计时用具，那就要加入宏观畛域，借助量子力学的能力了。

操纵量子力学推算电子在原子核范畴的散布得到电子在该原子中的能级组织，并晓得哪些原子的哪些电子能级具备较高的确切性。采用恰当的原子，把它的电子在确切能级间跃迁辐射出的光子的确切频次丈量出来，便是原子钟的旨趣。

美国物理学家拉比（年诺贝尔物理学奖得主）在年领先提议了操纵电子能级跃迁完成原子钟的旨趣。年，拉姆齐革新了拉比的原子束法子，让原子束两次颠末微波场，大幅消除噪声，获患有更切确电子跃迁频次，这个法子成为了原子钟的准则手艺。拉姆齐是以获患有年诺贝尔物理学奖。

即日的寰球光阴准则是用铯原子钟界说的，即用铯-原子（正常采取元素周期表最左边的一列的原子做原子钟，由于它们最外层惟独一个电子）的最外层电子的基态能级和第一激起态能级之间的频次（能量差/普朗克常数）做为准则。

除了铯原子钟之外，氢原子钟和铷原子钟也获患有特别宽泛的运用。这些采取常温原子的原子钟的光阴确切度曾经到了10的负13次方，即几万年只差一秒的程度。

年，由朱棣文、菲利普斯、塔诺季进展出的激光冷却原子手艺，也许将原子冷却到几十微开尔文的温度（仅比绝对零度高十万分之几度），云云由原子热疏通引发的能级谬误定度被大幅收缩，原子钟的频次安定度进一步抬高，光阴确切度也许抵达10的负16次方量级，也便是几亿年才差一秒的程度。

最新的光学频次原子钟（即光钟，用原子在看来光频次的电子能级跃迁取代在微波频次的电子能级跃迁）的光阴确切度也许抵达10的负18次方量级，也便是从六合大爆炸到目前（亿年）才差一秒的程度。

原子钟除了为人类社会供应切确的光阴之外，尚有一个特别紧急的效用，便是寰球导航定位。

不管是美国的GPS系统、欧洲伽利略系统，依然我国的斗极导航系统，都须要天上几十颗卫星构成遮盖寰球的无线网络，这些卫星最中心的征战便是原子钟。每颗卫星都将原子钟供应的光阴消息做为记号发送给大地。大地每个采纳器要是采纳到两个卫星的光阴记号，就也许颠末期间差推算出自身离两个卫星的间隔的差是几许（光阴差乘以光速），这个差散布在一条双弧线上。

当采纳器采纳到第三颗卫星的光阴记号后，便又也许推算出和其余两个卫星的间隔差，即其它两条双弧线。三条双弧线的交点便是这个采纳器相对三个卫星的定位点，是以最少须要三颗卫星来做定位。卫星上的原子钟供应的光阴越确切，导航系统的定位也就越确切。

卫星导航定位不但洪量用车载和船载，尚有咱们操纵的每台手机中，都装配了微型的GPS采纳器。颠末相对多颗卫星的定位来肯定在地球上的地方，这也成为不少挪移互联网运用必不行少的一个功效。

以上，从半导体到芯片，从激光通信到磁盘储备，从显示屏到数码相机，从原子钟到卫星定位……咱们不难发掘，量子论不但改观了人类对天下的根底认知，也使咱们的糊口产生铺天盖地的改观。而量子论与消息科学的合并，正产生着一场新的改革。

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