第一章 量子材料：探索微觀世界的極限
第一節 量子局限和量子點
一、量子的基本概念
（一）量子的定義
「量子」是英文「quantum」的中文翻譯，英文「quantum」來源於拉丁文「quantus」，原意為一定的數量、分量。在物理學中，量子是參與基本相互作用的任何物理實體的最小量，即「離散變化的最小單元」。「量子化」是指其物理量的取值是離散的、特定的，而不是任意變化的。
什麼意思呢？就是世界上的一切實體物質、一切物理規律所描述的對象都是由一份一份的基本粒子組合起來的，並且這些基本粒子有一定的尺度，不可再分割。
就像水流一樣，雖然宏觀上的大江大河可以分割成小溪小流，小溪小流裡的水流又可以進一步分割成涓涓細流，但是分割到了一定程度後，水流終究會分為一滴滴的小水滴，再細分為一個個的水分子。
到了這一步，從物理意義上來說，分割就到了盡頭，水分子和水滴就是組成水流的最基本的「量子」單位。
所以，量子其實是一個度量概念，所有物質都有量子特性。天上飛的飛機是量子的，地上蓋的高樓是量子的，甚至牆上趴著的貓、樹下躺著的狗也是量子的。一切物理量的變化都是量子化的，就像走樓梯一樣，只能一次上一個臺階、兩個臺階，而不能上半個臺階、1/3個臺階或1/114514個臺階。這就是量子概念的全部本質。
（二）量子物理的起源
量子物理最早出現在20世紀初，當時，物理學家在黑體輻射實驗的理論解釋上遇到了困難。所謂「黑體」，指的是能夠對外界能量達到100％吸收率，全部吸收外來輻射而毫無任何反射和透射的理想物體。由於完全不存在反射，黑體看起來絕對漆黑，連一絲光澤都沒有。
當然，理想中的絕對黑體在現實中並不存在。不過一個表面開有一個小孔的空腔也可以被看作一個近似的黑體。透過小孔進入空腔的光線，在腔裡反射多次後很難再原路從小孔透出，表現在數值上就是接近於100％的吸收。
雖然黑體會完全吸收外界的光和熱，但這並不意味著它會讓光和熱只進不出。黑體自身具有溫度，可以被加熱，也會向外界以熱輻射的形式釋放出一定的能量，這種輻射就叫做黑體輻射。黑體輻射實驗就是研究黑體發出的輻射強度隨溫度變化的關係。科學家們發現，黑體在不同的溫度下會發出波長不同的輻射，同時輻射強度曲線隨著波長增加，先上升、後下降，每個溫度都對應著一個輻射強度最高的波長。
為了解釋這個現象，德國物理學家馬克斯．普朗克（Max Planck）首次提出了量子論。普朗克假設，黑體發出的輻射並不是一個不間斷的連續過程，而是像用打氣筒替氣球打氣那樣，呈離散變化。每一次「打氣」，黑體就會累積一定分量的能量，這些能量彙集起來後對外輻射。這樣的能量分量就對應著輻射的最小能量單位，在不同溫度下，最小的一份輻射分量所對應的能量不同，這就解釋了此前觀察到的黑體輻射的實驗現象。
後來，著名科學家愛因斯坦進一步發展了普朗克的量子假說。他把每份最小的輻射叫做「光子」，並提出了光子與電子相互作用產生光電效應的理論。光子是光的「量子」單位，所以又叫「光量子」。所有電磁波的吸收與輻射，都是根據一個個光子的產生和湮滅而進行的。
後來，人們就以普朗克量子假說的提出時間作為量子論誕生的起點。在此之前的物理學，統稱為古典物理學；此後以量子論觀點作為出發點的物理學，統稱為量子物理學或現代物理學。「古典」與「量子」，展現了橫跨兩個時代的前後變革。
第一節 量子局限和量子點
一、量子的基本概念
（一）量子的定義
「量子」是英文「quantum」的中文翻譯，英文「quantum」來源於拉丁文「quantus」，原意為一定的數量、分量。在物理學中，量子是參與基本相互作用的任何物理實體的最小量，即「離散變化的最小單元」。「量子化」是指其物理量的取值是離散的、特定的，而不是任意變化的。
什麼意思呢？就是世界上的一切實體物質、一切物理規律所描述的對象都是由一份一份的基本粒子組合起來的，並且這些基本粒子有一定的尺度，不可再分割。
就像水流一樣，雖然宏觀上的大江大河可以分割成小溪小流，小溪小流裡的水流又可以進一步分割成涓涓細流，但是分割到了一定程度後，水流終究會分為一滴滴的小水滴，再細分為一個個的水分子。
到了這一步，從物理意義上來說，分割就到了盡頭，水分子和水滴就是組成水流的最基本的「量子」單位。
所以，量子其實是一個度量概念，所有物質都有量子特性。天上飛的飛機是量子的，地上蓋的高樓是量子的，甚至牆上趴著的貓、樹下躺著的狗也是量子的。一切物理量的變化都是量子化的，就像走樓梯一樣，只能一次上一個臺階、兩個臺階，而不能上半個臺階、1/3個臺階或1/114514個臺階。這就是量子概念的全部本質。
（二）量子物理的起源
量子物理最早出現在20世紀初，當時，物理學家在黑體輻射實驗的理論解釋上遇到了困難。所謂「黑體」，指的是能夠對外界能量達到100％吸收率，全部吸收外來輻射而毫無任何反射和透射的理想物體。由於完全不存在反射，黑體看起來絕對漆黑，連一絲光澤都沒有。
當然，理想中的絕對黑體在現實中並不存在。不過一個表面開有一個小孔的空腔也可以被看作一個近似的黑體。透過小孔進入空腔的光線，在腔裡反射多次後很難再原路從小孔透出，表現在數值上就是接近於100％的吸收。
雖然黑體會完全吸收外界的光和熱，但這並不意味著它會讓光和熱只進不出。黑體自身具有溫度，可以被加熱，也會向外界以熱輻射的形式釋放出一定的能量，這種輻射就叫做黑體輻射。黑體輻射實驗就是研究黑體發出的輻射強度隨溫度變化的關係。科學家們發現，黑體在不同的溫度下會發出波長不同的輻射，同時輻射強度曲線隨著波長增加，先上升、後下降，每個溫度都對應著一個輻射強度最高的波長。
為了解釋這個現象，德國物理學家馬克斯．普朗克（Max Planck）首次提出了量子論。普朗克假設，黑體發出的輻射並不是一個不間斷的連續過程，而是像用打氣筒替氣球打氣那樣，呈離散變化。每一次「打氣」，黑體就會累積一定分量的能量，這些能量彙集起來後對外輻射。這樣的能量分量就對應著輻射的最小能量單位，在不同溫度下，最小的一份輻射分量所對應的能量不同，這就解釋了此前觀察到的黑體輻射的實驗現象。
後來，著名科學家愛因斯坦進一步發展了普朗克的量子假說。他把每份最小的輻射叫做「光子」，並提出了光子與電子相互作用產生光電效應的理論。光子是光的「量子」單位，所以又叫「光量子」。所有電磁波的吸收與輻射，都是根據一個個光子的產生和湮滅而進行的。
後來，人們就以普朗克量子假說的提出時間作為量子論誕生的起點。在此之前的物理學，統稱為古典物理學；此後以量子論觀點作為出發點的物理學，統稱為量子物理學或現代物理學。「古典」與「量子」，展現了橫跨兩個時代的前後變革。
