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追本溯源:光电效应的认知与创新

发表于:2016-01-19    

所以,人类对光电的量子认知改变了我们的生活,我们今天讲到很多的互联网,世界连在一起,如果没有光纤通讯,我想是很难做到的。今天我们会看到很多的科研是以光为手段的量子信息,和量子计算,将来有一天也许光会给我们带来了下一步的突破。

今天我们可以享受由太阳能,即光的量子带给我们的清洁能源。走向未来是不是哪一天可以用激光作为研究核聚变的最重要的手段之一,是不是真正地能够在地球上找出可控的人造太阳?大家都知道我们人类的能量都是从太阳来的,太阳上发生的就是核聚变的过程。激光制造也用到光电量子的概念。下图激光制造部分左边是半导体的一些测试,右边是激光切割。我想激光在制造业中会变得越来越重要。

还有就是激光医疗,激光在医疗上用得越来越多。一些常见的手术,例如近视眼的修正这些都是用激光做的。激光还在照明和娱乐,你看我们今天这样一个光场,如果没有现代光学,也是不可能的。这就涉及到了LED照明。

我想我们也许并不一定知道是具体到哪一天,但是很多人相信在不远的将来,我们会体验光所产生的虚拟世界,这种事情会越来越多。我们可以得到一种超越时空的人生经历,我们讲今后的一百年非常有可能我们人类是要登上火星的。也许当人类登上火星的那天,我们大家有可能通过一个虚拟的过程同步体验我们人类走向宇宙跨出的历史性的一步。

不仅仅是在应用当中,人类对光的量子认知也提供了非常重要的科学研究手段。由光电效应所衍生的光电能谱,对物理学,尤其是凝聚态物理学、化学和材料科学都有着深刻的影响。拿我们凝聚态物理学做一个例子,你看,在几乎所有的量子材料研究中,光都起了非常重要的作用。比如说高温超导和界面超导,比如说半导体,比如说拓扑材料,比如说奇异的碳材料,碳60啊,石墨烯啊,钻石啊等等,比如说二维的氧化物,比如说电荷密度波,極子材料,还有稀土重费米子,这包括了凝聚态物理量子材料的几乎所有的题目。

光电效应所衍生的光电能谱对量子材料的电子结构了解提供了最核心的信息。拿我们自己的研究做一个例子,光电能谱对高温超导的对称性产生了很大的影响。我们在二十几年前就是用光电能谱看出来高温超导的对称性和普通超导不一样,是一个D波配对的对称性的原理。过去十年,我们又可以用光电效应对高温超导的电子相图做研究,这样一个相图是用其他手段非常难做的。有了这样一个电子能谱以后,你可以对这个材料有一个非常深刻的了解。

这个手段一来可以做很多很多的事情,二来由于光电能谱同时对理论和实验都有非常高的要求,所以它也是一个培养人才和训练人的一个非常好的手段,从我自己的体会来看我自己过去这二十年带的学生的话,回过头来看,虽然受的训练是在光电效应,但是他们去的领域,后来做的工作,都是非常非常广阔的。所以说这也是一个非常好的训练方法。

我最后再回顾一下我们刚刚讲的。爱因斯坦是做了非常多的、非常重要的工作。我们知道狭义相对论、广义相对论,而几乎是同时,他对人类对光的认知有着深刻的贡献,而且真正影响了人类文明的进程。光电效应所衍生的对光的量子认知将人类对光的认识提高到了一个崭新的高度,为量子论的建立提供了一个重要的基石。光电效应、黑体辐射、氢的光谱是量子力学建立的三个最早期的实验基石。爱因斯坦对光的量子认知为现代激光的发明奠定了理论的基础。

量子力学和激光催生了现代电子学和光学通讯,促成了信息革命,在一定意义上来说从根本上改变了人类的生活。今天,光的量子认知依然是现代发现和创新的源泉,从基础科学到新材料,新能源,从照明到娱乐,从光的通讯到量子计算,从激光制造到光医学,从全息成像到虚拟世界,这依然是一个非常令人期待的领域,我想我们看到的是冰山一角。

责任编辑:solar_robot
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