NSR專欄：從實驗室走向市場的物質量子工程

知識 08-01

撰文 | 菲利普·鮑爾（Philip Ball）

翻譯 | 張珊

校譯 | 劉亞雄

責編 | 陳曉雪

知識分子為更好的智趣生活ID：The-Intellectual

王康隆教授，加州大學洛杉磯分校電氣工程系

在每一個自然科學領域，不論是物理學、化學，或是生物學以及醫學等，都具有納米科學的特徵。

——王康隆

迪特爾·賓貝格教授，德國柏林工業大學納米光子學中心創始人

現在量子點的應用窗口已經開放，中國的大公司也開始對該領域感興趣，並逐漸開始投資。

——迪特爾·賓貝格

量子點引入了一種純粹基於尺寸和維度等材料性質的量子工程新形式。傳統觀點認為，材料的強度、電導、吸收與發射光譜等本徵性質是由其成分和原子尺度結構決定的。但當材料的尺寸非常小時，這些性質就會受量子力學效應的影響而改變。例如，量子波函數的限域性決定了電子等載流子的能量大小。

上世紀九十年代，在全部三個空間維度上以小於一納米的精度控制材料結構的尺寸成為可能，量子效應的技術應用正式開始。量子點是指在三個維度上都具有納米尺度的粒子——實質上，通常就是由一種半導體材料嵌入另一種半導體材料而製成的小塊材料。在量子點中，光吸收與熒光發射的波長可以通過納米顆粒的尺寸調節，目前科學家們正在探索其從彩色顯示到生物醫學成像等多個方面的應用。同時，在激光器件等高效光學器件的製造領域中，薄到足以呈現一維量子限域效應的半導體薄膜材料也已經得到了廣泛應用。這些應用都依賴於對粒子尺寸、組成以及厚度的精確控制技術。

《國家科學評論》（National Science Review，簡稱NSR）與量子工程領域的兩位領軍人物，迪特爾·賓貝格（Dieter Bimberg）教授和王康隆教授針對量子點的發展前景進行了一次深度對話。迪特爾·賓貝格教授作為德國柏林工業大學納米光子學中心的創始人，率先開發了量子點在諸如激光和光學放大器等光子器件中的應用，同時發展了非易失性動態隨機存取存儲器（DRAMs），該器件在斷電時其仍能保存儲存的信息。王康隆教授來自加州大學洛杉磯分校電氣工程系，他從事納米尺度量子器件的研究，主要關注電子和磁學特性，尤其是非易失性RAMs以及將控制電子自旋作為信息處理新維度（即自旋電子學技術）的發展方向。

NSR：從什麼時候開始，量子點真正開始由一個有趣的理論想法進化為對於器件技術具有實際意義的結構元件？

王康隆：量子點的應用已經有數百年了，只是我們一直沒有意識到這些應用的本質。納米結構的金屬簇在仿古玻璃中就展現出彩色，特別是金納米顆粒能夠呈現出紅寶石般的色彩。

針對量子點的系統性實驗研究在二十世紀八十年代開始蓬勃發展。在釓硫化物量子點中首次觀察到了量子限域現象：隨著粒子尺寸的降低，量子能級下材料性質發生改變，發射譜藍移。

經過三十年的發展，量子點已經被應用到藥物遞送等各個領域中。現代顯微鏡以及元素分析技術的發展，大大加快了量子點研究的前進步伐。同時，越來越強大的計算機模擬方法可以揭示出發生在量子點中的物理和化學過程，使我們對其性質有了更深入的了解。

賓貝格：1986年，日本電子工程師末松安晴（Yasuharu Suematsu）與其同事發表了一篇理論文章，文中預言如果常規量子阱（電子被囚禁在薄膜中）能夠被量子點取代，光子器件將獲得巨大的發展空間。1994年我們利用Stranski-Krastanov生長方法（簡稱SK，用此方法在襯底上沉積薄膜時，沉積首先以小島形式出現）製造了第一個量子點激光器，首次實現了這一預言。量子點激光器可以在超低的電流密度下工作，現在甚至可以在低於理論預言的電流密度下實現連續波操作（發射穩態激光束）。SK生長模式可以無需光刻技術製造量子點，它的提出和實現是一項重大突破。

NSR：實現這些結構有很多種方法，比如濕法化學、化學氣相沉積法（CVD）、納米光刻等等。其中哪些方法被證明是最重要的？是否是那些便宜的、能夠大規模應用的方法？那些成本密集的方法是否仍然具有市場存在價值？

王康隆：製作量子點的最佳方式在很大程度上取決於應用和研究的目標。從商業化角度來講，價格和生產規模當然是很重要的方面，但是製作方法主要取決於具體應用。在生物學應用中，人們通常利用量子點來進行藥物遞送；在催化中，人們希望它提供反應場所。在這兩種情況下，具有較大的表面積是最重要的考慮因素，人們通常期望獲得高的產量，量子點的形態是否均勻並不重要。因此，在這些情況下，快速高產的濕法化學和CVD方法是被優先選擇的。但在光子學等應用中，就要求量子點具備精確的圖案和良好的控制形態。所以在這裡，需要使用精確的光刻工藝進行製作。

賓貝格：目前，如果想要獲得可以工業化生產的、優於經典半導體器件的實際量子點半導體器件，金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）和分子束外延（MBE）都是可供選擇的生長方法。這兩種方法都是並不昂貴，並可用於大規模生產的成熟技術。

NSR：量子點的眾多特徵中，有助於其應用的最有吸引力的特徵是什麼？為使量子點獲得這些特徵，我們需要對哪些方面進行控制？

賓貝格：這個因器件而定。對於激光器，我們需要超低閾值的電流，高速切斷（開關轉換）和高溫穩定性，還要能夠將砷化鎵襯底器件的能帶範圍擴展到商用的1.3微米。對於放大器，就需要突出的線性應用（如波長復用）和非線性應用（如波長切換）的性能。而對於存儲器，如果能將DRAM和快閃記憶體集成到一個器件中，將可以徹底改變計算機設計方式。最後，也是今天最吸引研究者的重要特徵是，單個量子點發射的光子可以等價為一個量子比特，並應用於量子通信技術。

王康隆：量子點有很多吸引人的特徵。從我的個人研究來看，其價值來自於這些量子點以及其它量子異質結構的量子限域效應，並且可以由此精確的控制能級。在一些半導體量子點中，可以實現對單獨量子點中載流子數量的控制，這對於量子信息處理是非常重要的。還有其它一些重要的現象，比如庫倫阻塞（靜電斥力作用下的分立電子輸運），交換相互作用以及自旋相互作用（嚴格意義上，二者都屬於電子的量子力學性質）等。

NSR：對於你所在的光子信息處理、存儲器以及自旋電子學領域，量子點有多重要？在這個領域中，首先進入市場的器件最有可能是什麼？現在的研究成果距離市場應用有多遠？

賓貝格：現在量子點的應用窗口已經開放，在新興領域（諸如接入區域網以及「光纖入戶」系統等）中引進量子點激光器和放大器的研究也即將展開。中國的大公司也開始對該領域感興趣，並開始投資。近幾年，直接調製的1.3微米波長激光器（MBE晶片生長方法）已經可以在市場上買到。但是對於存儲器，我們仍處於研究階段。

王康隆：納米工程在現代自旋電子學和信息技術學領域起到了至關重要的作用。這裡我指的並不僅僅是量子點。例如，得益於納米技術，我們可以生產磁隧道結，並可以利用所謂的巨磁阻技術（GMR）將單個硬碟驅動器的內存容量提高到TB量級。

每個單量子點都可以看成是一個孤立的自旋系統（一個可以儲存信息的量子比特），量子點之間還可以相互交流，這樣的系統能夠大大增加內存容量。更重要的是，在這種前提下有可能實現在小強度電場下操作量子點的磁性，從而研製出量子信息處理所需的自旋電子晶體管。同時，在健康學領域，磁性納米顆粒子可用於藥物遞送，以及包括腦成像在內的活體生物和組織檢測。

NSR：在這一領域中，理論和實驗之間的密切合作似乎至關重要。我們現在可以通過足夠細緻的模擬，來指導量子點實驗嗎？

王康隆：這是一個很好的問題。量子點的模擬是非常難的。我們可以通過量子力學來精確預測一個原子的行為，因為這是一個單體問題。對於大的晶體，我們可以將它們近似為單體問題，或者通過統計物理學將它們視為多體系統。但是最難的問題就在於納米級的少體系統。在少體系統中，量子點以及量子點間的相互作用比單體系統更複雜，但是又不足以用統計方法處理。目前為止，量子點的理論模擬可以為研究人員提供有價值的指導作用。但一般而言，它們不足以解釋實驗觀察到的所有細節，特別是對於少原子簇。

賓貝格：在過去十五年或更長的時間裡，我們首先開發出了用於單粒子效應的優秀數值模型，後來又發展了可用於量子點多粒子效應（包括交換相互作用）的數值模型。

NSR：中國是否為這一領域的研究貢獻過重大進展？中國有哪些在這一領域中重要的實驗室？

王康隆：現在，中國是納米技術領域的領先國家之一。中國政府加大了對頂尖實驗室、高校的建設，在吸引優秀人才方面也投入了很多。中國的研究人員是非常聰明勤奮的，越來越多的高影響因子期刊論文來自中國的科研機構和學校。大多數重點實驗室都在沿海和內地的大城市裡，我的中國合作者很多，他們幾乎遍布在中國的每個省里，並且擁有最先進的器件，可以進行最前沿的研究工作。

賓貝格：很多中國高校和中國科學院已經從事相關基礎研究很多年了。其中最重要的應用研究機構是位於吉林的中國科學院長春光學精密機械與物理研究所。

NSR：這個領域經常被提名諾貝爾獎，如果獲獎，具體的獲獎者會是誰？

王康隆：這個問題不好說，恐怕只有諾貝爾委員會才能回答！納米科學領域已經獲得了幾次諾貝爾獎。納米科學已經滲透進入了每一個自然科學領域，物理學、化學，生物學和醫學。

不管怎樣，我認為獲得諾貝爾獎應當符合以下標準：該研究應當提出了引人注目的新觀點，並且能夠對人類發展產生強烈影響，或是有助於促進某一研究領域的發展，不只是基礎研究的發展，也包括工程和產品商業化方面的發展。被授予諾貝爾獎的GMR（2007年）和藍色發光二極體（2014年）都是很好的例證。（二者均涉及精密半導體工程）

賓貝格：把這個問題留給諾貝爾委員會吧！

NSR：早在二十世紀九十年代，這就是一個很熱門的研究領域，發展到今天，這一領域愈發成熟。今天，你會給一個剛步入該領域的年輕研究者什麼建議？

賓貝格：目前，只有InAs/GaAs生長技術可以說是成熟的，InAs/InP技術只在一定程度上算是成熟，而氮化鎵技術（綠光源）還有待於繼續探索。SK生長方法的概念可以推廣到任意有應力的異質結構。年輕研究者應當致力於尋找新穎的納米結構（被探索過的還太少）和器件，並闡明它們可以為哪些系統（比如節能光子學）帶來改進。

王康隆：日趨成熟的不只是這個領域本身，還有研究者的態度。一個新的領域總是難逃被過度宣傳的命運，量子點也是如此。人們需要時間去真正了解這一領域的潛力和局限性。年輕的研究者很容易在沒有清晰的理解和深刻的思考之前，就追隨研究熱潮而進入某一領域。我看到很多年輕學者都在追隨最新文章的研究工作，但是在這些新文章中，經常包含有偏差、甚至完全是錯誤的觀點。如果年輕學者只想著追趕潮流並發表高影響因子的文章，這對於其個人發展和整個領域的進步都是不利的。因此，我想建議年輕學者在選擇研究課題時，不要只閱讀最新的論文，也要研讀基礎教材和經典文獻，這樣才能清楚地認識到，哪些領域和方向是真正值得研究的。

原文2016年10月8日首次發表於《國家科學評論》，原標題為「Quantum engineering of matter from the laboratory to the market: an interview with Dieter Bimberg and Kang Wang」。NSR是科學出版社旗下期刊，與牛津大學出版社聯合出版。《知識分子》獲授權刊發該文中文翻譯。

製版編輯：艾略特丨

本頁刊發內容未經書面許可禁止轉載及使用

公眾號、報刊等轉載請聯繫授權

知識分子為更好的智趣生活 ID：The-Intellectual