从实验室走向市场的物质量子工程 | NSR专栏
►王康隆教授，加州大学洛杉矶分校电气工程系
在每一个自然科学领域，不论是物理学、化学，或是生物学以及医学等，都具有纳米科学的特征。
——王康隆
►迪特尔·宾贝格教授，德国柏林工业大学纳米光子学中心创始人
现在量子点的应用窗口已经开放，中国的大公司也开始对该领域感兴趣，并逐渐开始投资。
——迪特尔·宾贝格
撰文 | 菲利普·鲍尔（Philip Ball）
翻译 | 张 珊
校译 | 刘亚雄
责编 | 陈晓雪
● ● ●
量子点引入了一种纯粹基于尺寸和维度等材料性质的量子工程新形式。传统观点认为，材料的强度、电导、吸收与发射光谱等本征性质是由其成分和原子尺度结构决定的。但当材料的尺寸非常小时，这些性质就会受量子力学效应的影响而改变。例如，量子波函数的限域性决定了电子等载流子的能量大小。
上世纪九十年代，在全部三个空间维度上以小于一纳米的精度控制材料结构的尺寸成为可能，量子效应的技术应用正式开始。量子点是指在三个维度上都具有纳米尺度的粒子——实质上，通常就是由一种半导体材料嵌入另一种半导体材料而制成的小块材料。在量子点中，光吸收与荧光发射的波长可以通过纳米颗粒的尺寸调节，目前科学家们正在探索其从彩色显示到生物医学成像等多个方面的应用。同时，在激光器件等高效光学器件的制造领域中，薄到足以呈现一维量子限域效应的半导体薄膜材料也已经得到了广泛应用。这些应用都依赖于对粒子尺寸、组成以及厚度的精确控制技术。
《国家科学评论》（National Science Review，简称NSR）与量子工程领域的两位领军人物，迪特尔·宾贝格（Dieter Bimberg）教授和王康隆教授针对量子点的发展前景进行了一次深度对话。迪特尔·宾贝格教授作为德国柏林工业大学纳米光子学中心的创始人，率先开发了量子点在诸如激光和光学放大器等光子器件中的应用，同时发展了非易失性动态随机存取存储器（DRAMs），该器件在断电时其仍能保存储存的信息。王康隆教授来自加州大学洛杉矶分校电气工程系，他从事纳米尺度量子器件的研究，主要关注电子和磁学特性，尤其是非易失性RAMs以及将控制电子自旋作为信息处理新维度（即自旋电子学技术）的发展方向。
NSR：从什么时候开始，量子点真正开始由一个有趣的理论想法进化为对于器件技术具有实际意义的结构元件？
王康隆：量子点的应用已经有数百年了，只是我们一直没有意识到这些应用的本质。纳米结构的金属簇在仿古玻璃中就展现出彩色，特别是金纳米颗粒能够呈现出红宝石般的色彩。
针对量子点的系统性实验研究在二十世纪八十年代开始蓬勃发展。在钆硫化物量子点中首次观察到了量子限域现象：随着粒子尺寸的降低，量子能级下材料性质发生改变，发射谱蓝移。
经过三十年的发展，量子点已经被应用到药物递送等各个领域中。现代显微镜以及元素分析技术的发展，大大加快了量子点研究的前进步伐。同时，越来越强大的计算机模拟方法可以揭示出发生在量子点中的物理和化学过程，使我们对其性质有了更深入的了解。
宾贝格：1986年，日本电子工程师末松安晴（Yasuharu Suematsu）与其同事发表了一篇理论文章，文中预言如果常规量子阱（电子被囚禁在薄膜中）能够被量子点取代，光子器件将获得巨大的发展空间。1994年我们利用Stranski-Krastanov生长方法（简称SK，用此方法在衬底上沉积薄膜时，沉积首先以小岛形式出现）制造了第一个量子点激光器，首次实现了这一预言。量子点激光器可以在超低的电流密度下工作，现在甚至可以在低于理论预言的电流密度下实现连续波操作（发射稳态激光束）。SK生长模式可以无需光刻技术制造量子点，它的提出和实现是一项重大突破。
NSR：实现这些结构有很多种方法，比如湿法化学、化学气相沉积法（CVD）、纳米光刻等等。其中哪些方法被证明是最重要的？是否是那些便宜的、能够大规模应用的方法？那些成本密集的方法是否仍然具有市场存在价值？
王康隆：制作量子点的最佳方式在很大程度上取决于应用和研究的目标。从商业化角度来讲，价格和生产规模当然是很重要的方面，但是制作方法主要取决于具体应用。在生物学应用中，人们通常利用量子点来进行药物递送；在催化中，人们希望它提供反应场所。在这两种情况下，具有较大的表面积是最重要的考虑因素，人们通常期望获得高的产量，量子点的形态是否均匀并不重要。因此，在这些情况下，快速高产的湿法化学和CVD方法是被优先选择的。但在光子学等应用中，就要求量子点具备精确的图案和良好的控制形态。所以在这里，需要使用精确的光刻工艺进行制作。
宾贝格：目前，如果想要获得可以工业化生产的、优于经典半导体器件的实际量子点半导体器件，金属有机化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延（MBE）都是可供选择的生长方法。这两种方法都是并不昂贵，并可用于大规模生产的成熟技术。
NSR：量子点的众多特征中，有助于其应用的最有吸引力的特征是什么？为使量子点获得这些特征，我们需要对哪些方面进行控制？
宾贝格：这个因器件而定。对于激光器，我们需要超低阈值的电流，高速切断（开关转换）和高温稳定性，还要能够将砷化镓衬底器件的能带范围扩展到商用的1.3微米。对于放大器，就需要突出的线性应用（如波长复用）和非线性应用（如波长切换）的性能。而对于存储器，如果能将DRAM和闪存集成到一个器件中，将可以彻底改变计算机设计方式。最后，也是今天最吸引研究者的重要特征是，单个量子点发射的光子可以等价为一个量子比特，并应用于量子通信技术。
王康隆：量子点有很多吸引人的特征。从我的个人研究来看，其价值来自于这些量子点以及其它量子异质结构的量子限域效应，并且可以由此精确的控制能级。在一些半导体量子点中，可以实现对单独量子点中载流子数量的控制，这对于量子信息处理是非常重要的。还有其它一些重要的现象，比如库伦阻塞（静电斥力作用下的分立电子输运），交换相互作用以及自旋相互作用（严格意义上，二者都属于电子的量子力学性质）等。
NSR：对于你所在的光子信息处理、存储器以及自旋电子学领域，量子点有多重要？在这个领域中，首先进入市场的器件最有可能是什么？现在的研究成果距离市场应用有多远？
宾贝格：现在量子点的应用窗口已经开放，在新兴领域（诸如接入局域网以及“光纤入户”系统等）中引进量子点激光器和放大器的研究也即将展开。中国的大公司也开始对该领域感兴趣，并开始投资。近几年，直接调制的1.3微米波长激光器（MBE晶片生长方法）已经可以在市场上买到。但是对于存储器，我们仍处于研究阶段。
王康隆：纳米工程在现代自旋电子学和信息技术学领域起到了至关重要的作用。这里我指的并不仅仅是量子点。例如，得益于纳米技术，我们可以生产磁隧道结，并可以利用所谓的巨磁阻技术（GMR）将单个硬盘驱动器的内存容量提高到TB量级。
每个单量子点都可以看成是一个孤立的自旋系统（一个可以储存信息的量子比特），量子点之间还可以相互交流，这样的系统能够大大增加内存容量。更重要的是，在这种前提下有可能实现在小强度电场下操作量子点的磁性，从而研制出量子信息处理所需的自旋电子晶体管。同时，在健康学领域，磁性纳米颗粒可用于药物递送，以及包括脑成像在内的活体生物和组织检测。
NSR：在这一领域中，理论和实验之间的密切合作似乎至关重要。我们现在可以通过足够细致的模拟，来指导量子点实验吗？
王康隆：这是一个很好的问题。量子点的模拟是非常难的。我们可以通过量子力学来精确预测一个原子的行为，因为这是一个单体问题。对于大的晶体，我们可以将它们近似为单体问题，或者通过统计物理学将它们视为多体系统。但是最难的问题就在于纳米级的少体系统。在少体系统中，量子点以及量子点间的相互作用比单体系统更复杂，但是又不足以用统计方法处理。目前为止，量子点的理论模拟可以为研究人员提供有价值的指导作用。但一般而言，它们不足以解释实验观察到的所有细节，特别是对于少原子簇。
宾贝格：在过去十五年或更长的时间里，我们首先开发出了用于单粒子效应的优秀数值模型，后来又发展了可用于量子点多粒子效应（包括交换相互作用）的数值模型。
NSR：中国是否为这一领域的研究贡献过重大进展？中国有哪些在这一领域中重要的实验室？
王康隆：现在，中国是纳米技术领域的领先国家之一。中国政府加大了对顶尖实验室、高校的建设，在吸引优秀人才方面也投入了很多。中国的研究人员是非常聪明勤奋的，越来越多的高影响因子期刊论文来自中国的科研机构和学校。大多数重点实验室都在沿海和内地的大城市里，我的中国合作者很多，他们几乎遍布在中国的每个省里，并且拥有最先进的设备，可以进行最前沿的研究工作。
宾贝格：很多中国高校和中国科学院已经从事相关基础研究很多年了。其中最重要的应用研究机构是位于吉林的中国科学院长春光学精密机械与物理研究所。
NSR：这个领域经常被提名诺贝尔奖，如果获奖，具体的获奖者会是谁？
王康隆：这个问题不好说，恐怕只有诺贝尔委员会才能回答！纳米科学领域已经获得了几次诺贝尔奖。纳米科学已经渗透进入了每一个自然科学领域，物理学、化学，生物学和医学。
不管怎样，我认为获得诺贝尔奖应当符合以下标准：该研究应当提出了引人注目的新观点，并且能够对人类发展产生强烈影响，或是有助于促进某一研究领域的发展，不只是基础研究的发展，也包括工程和产品商业化方面的发展。被授予诺贝尔奖的GMR（2007年）和蓝色发光二极管（2014年）都是很好的例证。（二者均涉及精密半导体工程）
宾贝格：把这个问题留给诺贝尔委员会吧！
NSR：早在二十世纪九十年代，这就是一个很热门的研究领域，发展到今天，这一领域愈发成熟。今天，你会给一个刚步入该领域的年轻研究者什么建议？
宾贝格：目前，只有InAs/GaAs生长技术可以说是成熟的，InAs/InP技术只在一定程度上算是成熟，而氮化镓技术（绿光源）还有待于继续探索。SK生长方法的概念可以推广到任意有应力的异质结构。年轻研究者应当致力于寻找新颖的纳米结构（被探索过的还太少）和器件，并阐明它们可以为哪些系统（比如节能光子学）带来改进。
王康隆：日趋成熟的不只是这个领域本身，还有研究者的态度。一个新的领域总是难逃被过度宣传的命运，量子点也是如此。人们需要时间去真正了解这一领域的潜力和局限性。年轻的研究者很容易在没有清晰的理解和深刻的思考之前，就追随研究热潮而进入某一领域。我看到很多年轻学者都在追随最新文章的研究工作，但是在这些新文章中，经常包含有偏差、甚至完全是错误的观点。如果年轻学者只想着追赶潮流并发表高影响因子的文章，这对于其个人发展和整个领域的进步都是不利的。因此，我想建议年轻学者在选择研究课题时，不要只阅读最新的论文，也要研读基础教材和经典文献，这样才能清楚地认识到，哪些领域和方向是真正值得研究的。
原文2016年10月8日首次发表于《国家科学评论》，原标题为“Quantum engineering of matter from the laboratory to the market: an interview with Dieter Bimberg and Kang Wang”。NSR是科学出版社旗下期刊，与牛津大学出版社联合出版。《知识分子》获授权刊发该文中文翻译。
原文链接： https://doi.org/10.1093/nsr/nww067
制版编辑：艾略特丨
本页刊发内容未经书面许可禁止转载及使用
公众号、报刊等转载请联系授权
copyright@zhishifenzi.com
欢迎转发至朋友圈
▼点击查看相关文章
购买课程
请点击下方“阅读原文”
▼▼▼点击“阅读原文”，了解课程详情，立享限时特惠！