诺贝尔物理学奖|梳理近70年诺奖成果，库叔发现了一个大秘密！慎点！太烧脑了…( 四 ) 价电子|原子|半导

同光盘被取代一样，虽然磁盘也有被基于半导体闪存的固态硬盘所取代的趋势，但是目前的大容量存储市场依旧以磁盘为主流硬盘。因为固态硬盘无论是寿命还是容量，目前还无法和最好的磁盘相比。

不过，随着半导体闪存技术不断更新换代，磁盘也有可能像光盘一样成为历史，但这丝毫不影响磁性材料为信息革命做出的重要贡献。

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显示器和数码摄像头
与现实世界的交互

我们常用的电脑和智能手机等设备，除了需要具备对二进制数字信息进行通讯、计算、存储三个主要功能以外，还需要和现实世界进行交互。比如，通过录音、拍照和摄像把现实世界的声音和图像转化为二进制数字信息；再通过显示器和扬声器把数字信息转化成图像和语音，让人能够看见和听见。

这些图像的输出和采集设备中到处可以看见量子光学的影子。

在介绍激光时，我们提到激光就来自于物质对光的受激辐射。而物质的自发辐射发光和激光不同，它是由组成物质的原子与光的真空态相互作用的结果。

注：光的真空态：狄拉克对电磁波（光）的量子化结果，使得电磁场有一个粒子数为零但能量不为零的真空态（每个频率上的真空态能量都为半个光子能量）。一些教材在介绍这个真空态的时候，通常都用卡西米尔效应举例子，但实际上卡西米尔效应并不是单纯由真空态引起的，而是由真空中不断产生和湮灭的虚光子导致的。真正纯粹来自真空态的可观测现象是自发辐射。

1930年，奥地利物理学家韦斯科普夫和匈牙利物理学家魏格纳在量子力学基础上建立了光的自发辐射理论，即电子（或者原子核）与光的真空态发生相互作用时，会自发地从高能级跃迁到低能级并向四面八方辐射出光子。凡是被外界能量激发到某个激发态能级或能带的电子，都会产生自发辐射现象，跃迁回基态并发射出光子。

任何非激光的发光本质上都和自发辐射有关，包括黑体辐射。

在日常生活中最常见的可见光波长的自发辐射现象就是荧光。从荧光粉，到日光灯，一直到LED（发光二极管）都属于自发辐射荧光现象。还有萤火虫，其腹部的荧光也是蛋白质分子里电子产生的自发辐射。

重点要说的是LED 。由于是半导体材料，其导电的电子的能级被“电子—空穴对”限制得比较窄，甚至接近原子能级的宽度，因此可以发出单色性非常好的自发辐射。 LED省电、发热小，成本远远低于激光，在不要求光准直性的情况下比激光更有优势。因此， LED逐渐淘汰了传统的灯泡和日光灯，成为了目前人们所使用的主要光源。

我们电脑和手机使用的显示器属于液晶显示器，但液晶本身并不发光，只有选择让光通过多少百分比的功能，所以液晶显示器的发光部分其实源自于背后的LED屏。 LED屏发出的白光先经过红绿蓝三色像素过滤屏，再经过液晶屏调节每一个像素的亮度（红绿蓝三色像素每一个前面都有一个液晶像素，通过透过光的亮度来选择颜色比例），最终显示出我们在屏幕上看到的图像。

LED出现以后，红光和绿光很快出现，但蓝光波长的LED一直是个“硬骨头” ，直到中村修二、赤崎勇、天野浩三人解决了这一难题， LED才得以广泛应用到今天。三人因此获得了2014年诺贝尔物理学奖。

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在图像的采集设备中，相机是人们生活中不可或缺的设备。

在20世纪，胶卷一直是记录图像的主要方式。拍在胶卷上的图像需要在暗室中用药水浸泡和透镜放大才能呈现在照片上，俗称“洗照片” 。电影画面也是每秒钟拍摄24张图像在胶片上，需要一张张洗出来。靠着卖胶卷和洗照片，柯达公司一度成为全球最赚钱的公司。

今天，这一切随着21世纪初数码相机的大规模出现而被彻底改变了。而数码相机最核心的部分，就是取代胶片的CCD感光芯片。

CCD全称charge-coupled device（电荷耦合器件），由1969年贝尔实验室的两位工程师博伊尔和史密斯发明。 CCD利用的就是半导体的光电效应，由光子打在每个像素点上被电子吸收，电子变成自由电子形成电流，电流的大小正比于光子的数量。

光电效应本质上可以用量子光学中的光电离过程直接描述。 CCD的参数里经常提到“量子效率”这个词，意思就是从一个像素点产生的自由电子数和照射在这个像素点上的光子数的比例。博伊尔和史密斯因为发明CCD获得了2009年诺贝尔物理学奖。

如今，我们手机上的相机所用的感光芯片已经从CCD替换为了CMOS ，后者指的是一种制造集成电路的“互补金属氧化物半导体”技术。用CMOS技术制造出的半导体感光芯片同样采用光电效应，量子效率比CCD差一些，但是成本和功耗远低于CCD 。并且，每个像素的电流直接变为电压并以二进制数字信号传给存储器，使图像处理速度更快。目前民用市场主要使用COMS ，而CCD则主要在需要低噪音和高量子效率的科研及工业领域使用。