不久前，2024年諾貝爾化學獎授予了三位研究人員量子點該領域的科學家，以表彰他們對量子點的發現和製造做出的傑出貢獻。
三位獲獎者分別是美國麻省理工學院的Moungi Bawendi教授、哥倫比亞大學的Louis Brus教授和俄羅斯科學家Alexei Ekimov。
三位獲得 2023 年諾貝爾化學獎（**諾貝爾獎外展）的科學家。
那麼，量子點到底是什麼？三位科學家在量子點的發現和製備過程中有哪些有趣的故事？量子點的出現和應用給我們的生產和生活帶來了哪些變化？
量子點是發光的奈米粒子的例子，粒徑通常在1至10奈米之間，一般由5至50個原子組成。 因此量子點不是類似於原子或電子的微觀基本粒子，而是由一定數量的原子組成的奈米粒子
從長度單位的轉換關係來看，1奈米等於十億分之一公尺，或者說百萬分之一厘公尺，而我們普通人的一根髮絲的直徑大約是5-6萬奈米。 因此，奈米世界是乙個全新的縮影。
相信很多朋友都會好奇：量子點明明聽起來像是乙個物理概念，但為什麼會獲得諾貝爾化學獎呢？
其實，在微觀世界裡，很多時候我們需要用到它奈米 （nm）。來描述顆粒大小。 量子點的發現和製備可被視為奈米技術領域的里程碑式突破。 如果從物理學的角度來看量子點體現了人們微調奈米技術的能力，因此他們更關注應用技術，而不是物理學中的一些根本性突破。
如果從化學的角度來看這三位科學家發明並完善了大規模製備量子點的化學技術，為奈米技術的發展提供了重要的化學技術支援。
那麼，量子點在化學領域具有巨大潛力的獨特性質是什麼呢？
原子和最外層電子的示意圖（**veer gallery）。
材料的發光效能是由材料的微觀結構決定的，材料微觀結構之間的差異反映在構成材料的原子最外層電子的不同狀態上。 也就是說，當最外層的電子處於不同狀態時，材料的發光特性也會發生變化
量子點的物理尺寸非常小，這意味著構成量子點的原子的最外層電子由於空間的大小而不能自由移動。 這種空間大小的限制意味著最外層電子的能量只能選擇到特定值。
這種電子只能拾取一種比能量的狀態，這與巨集觀世界中的發光材料有很大不同。 這是因為在巨集觀世界中，材料中最外層的電子是不受限制的，可以自由移動，因此它們的電子能量是乙個連續值。
電子原理圖僅限於不同尺寸的區域（**偏向相簿）。
也就是說，對於一定大小的量子點，其內部的電子被限制在不同大小的區域，從而表現出特定的能量狀態。當量子點被外界條件激發時，其內部的電子會受到刺激，根據其不同的能量狀態發出不同波長的螢光。
不同奈米尺寸的量子點激發不同的螢光（**veer庫）。
一般來說，量子點的粒徑越大，其內部的電子能態越低，受到刺激會發出更長波長（即接近紅色）的光。量子點的粒徑越小，其內部電子的能量狀態就越高，可以刺激它發出波長較短的光（即接近藍光）。
綜上所述，量子點是一種人工製造發光奈米粒子的特點是可以人工製備不同奈米尺寸的量子點，以特異性控制量子點發出的螢光顏色。
看完量子點的功能，你是不是覺得這不是普通的發光材料？為什麼值得諾貝爾獎？
在回答這個問題之前，讓我們回顧一下我們中學時期的光學知識。
根據經典光學的描述，光的本質是電磁波，不同波長的光會呈現出不同的顏色。 其中，我們人眼可見的有色光只佔光譜的一小部分，對應的波長約為400奈米-700奈米。 當波長從 700 nm 降低到 400 nm 時，人眼感知的顏色會分為紅色、橙色、黃色、綠色、藍色、靛藍色、紫色以及介於兩者之間的許多顏色。
人眼感知的可見光（波長和顏色）（*veer gallery）。
雖然各種顏色的光是五顏六色的，複雜的，但它們都是由以下幾種方式構成的紅色 （700 nm），綠色 （546.）。1 nm）和藍色（435.）。8 nm）。這三種顏色的基本光以不同的比例疊加，因此，紅、綠、藍也叫光的三原色 （RGB）。。我們人眼感知到的白光是三原色等比例的疊加。
紅、綠、藍三原色示意圖（**veer gallery）。
我們需要區分有色光萃取跟製備是兩個不同的概念。 用於彩色光萃取反過來，我們只是利用光的三原色原理，用濾光片或稜鏡在白光中濾掉特定顏色的光。 也就是說，我們只是來自自然萃取特定顏色的光，而不是人造的製備出所需的彩色光。
白光穿過稜鏡，然後分解成各種顏色的光（**偏向畫廊）。
因此，如果我們想人工製備特定顏色的光，按照原來的方法，我們只能先得到純紅、綠、藍光源，然後調整三原色的不同混合比例，得到特定顏色的光。 然而，這種傳統的發光機制在實際應用中是存在的兩個嚴重的問題
首先，要獲得純淨且長期穩定的三原色單色光源，其實是非常困難的。 這是因為在實踐中，單色光源會受到環境條件的影響（即光衰）。 也就是說，單色光源在實際使用一段時間後不再是標準的紅、綠、藍三原色
基於紅色、綠色和藍色三原色的照明顯示器的最小畫素（**veer gallery）。
其次，為了發出任何顏色的光，有必要在每個最小發光單元上整合紅、綠、藍單色光源。 這樣一來，不僅增加了工業製造的生產成本，而且由於單色光源，還造成了光衰合成色光也會受到顏色失真的影響
量子點的出現正好解決了傳統發光材料的上述問題。
量子點可以解決這些問題有兩個原因。
首先，量子點的發光特性由其奈米尺寸決定不受外界工作環境影響，改變奈米尺寸。換句話說，只要量子點被製造出來，它們本身的發光特性理論上就不會受到工作環境的影響。 此外，量子點在製造後也被穩定封裝，進一步完善量子點發光特性的長期穩定性並延長使用壽命。
合成量子點的化學方法示意圖（**Johan Jarnestad，瑞典皇家科學院。）
其次，不同奈米尺度的量子點具有不同的發光波段，因此可以精確控制量子點的奈米尺寸，以獲得非常精確的單色光。
也就是說，我們量子點發光技術可用於直接獲得所需的彩色光，從而避免了傳統的色光合成技術。 此外，還掌握了大規模製備量子點的化學合成技術，可以大量製備出具有穩定發射特性的量子點，從而降低生產成本。
正是由於量子點具有發光範圍廣、特性穩定、使用靈活等優點，量子點才具有廣泛的應用前景。
可穿戴微型裝置（**veer gallery）。
量子點技術除了應用於生活場景外，還可以作為量子資訊的載體，有望實現精彩的量子計算。 這是因為量子點中的電子被限制在幾奈米以內，在外磁場的控制下，內部的電子能量態可以分裂成高低兩種狀態，從而可以分別編碼為1和0狀態。
換句話說，我們可以人為地操縱量子點內部電子的不同能量狀態，形成乙個很好的兩能級系統，即“量子位元”。 這種基於量子點技術的量子計算方案可以相容當今主流的積體電路工藝，引起了學術界的廣泛關注。
綜上所述，量子點的發現和製備是人類科學技術發展的重大突破，人們可以根據自己的需要精確控制奈米級量子點，並顯示出廣闊的應用前景。
因此，量子點技術也被科學家視為現代奈米技術的種子，為人們開啟了通往奈米世界的大門。 而量子點也賦予了我們創造任意顏色的光的能力，從而點亮了多彩的世界。
量子計算概念圖（**veer Gallery）。
既然量子點技術如此神奇和有趣，你有什麼疑問嗎？量子點中的“量子”有哪些方面？量子點發現背後的精彩科學故事有哪些？請保持好奇心，跟隨作者在下一篇文章中尋找答案！
出品方：科普中國。
作者：欒春陽（清華大學物理系）
出品方：中國科博會。