穿着光子:利用非常规领域的剥壳科学来揭示未知

科学的海洋是冷酷无情的:研究人员花了一生的时间试图达到无法达到的目标——当他们失败时，就坠入了默默无闻的深渊。在量子场理论和材料科学的学科中，用硅制造发光器件的能力一直被视为永恒的白鲸。但是，正如“穿戴光子的研究起源”(日本)的大津元一教授所证明的，只要选择正确的工具，任何事情都可以实现。在他的例子中，一种被称为“穿戴光子”的奇异粒子，正是征服不可征服之物所需要的。

回到1981年，当第一个CD被释放时，科学家无意中产生了一个音频革命。数字音频已经存在于此时大约十年，但现在可以从可以在手中握住的存储设备中播放它。记录和音频盒被降级到历史的尘土飞扬的橱柜或鉴赏家收集器的原始架子。在90年代中期，视频发生了类似的物品：VHS向DVD提供了方法，我们现在可以挤压记录可以抓住占该区域的磁盘的数据左右四倍。2004年，当第一个有史以来的蓝光发布时，我们的家庭娱乐目录的质量飙升，现在可以轻松存储在同一个小磁盘上的25GB数据 - 这是记录可以包含的数据的60倍。您有没有想过家庭娱乐中的跳跃和界限的背后？

在这种特殊情况下，激光技术的进步是差异的原因。使用激光器蚀刻到这些设备上 - 并以相同的方式读取。一位数据占用CD，DVD或蓝光的大小仅取决于一件事：用于读取和写入的光的波长。对于CD，使用780纳米（NM）激光器（这是一种产生波长为780万米的光的激光器！）。DVD和蓝光分别使用680nm和405nm激光。那么为什么他们不只是创造一个波长1nm的激光，并用它完成？

衣服的光子具有大量独特的特征，这些特征从未被传统的量子域理论描述过。

嗯，当涉及发光二极管（LED）和激光器时，科学家长期以来一直在努力解决问题：装置发出的光的波长本质上与所用材料的底层原子结构有关。换句话说，科学家不能判断他们想要生产的波长：他们必须找到材料或工程师的材料组合，这将提供他们正在寻找的结果。这就是为什么这项技术的进步来到明显的零星跳跃和跳跃。

Motoichi Ohtsu是“穿戴光子的研究起源”(日本)的教授，他创造了第一个高功率的硅(Si) LED和激光设备，在这一领域取得了又一次飞跃。他通过利用最近发现的修饰光子的特性实现了这一点。

穿着光子
要理解“穿戴光子”是什么，你首先必须明白物理世界很大程度上是由物质和能量的微小构件组成的。原子是最广为人知的，但它们也有自己的组成部分:中子、电子和质子等等;还有它们更奇特的表亲，如夸克、介子、介子和玻色子(还有其他)。你甚至可能听说过著名的希格斯玻色子，也就是所谓的上帝粒子，它的存在最终于2012年在欧洲核子研究中心被证实。事实上，我们的宇宙比我们想象的要大得多，却充满了微小的粒子，小到我们甚至看不见它们。光子仅仅是一种光的粒子(当光选择像粒子一样运动时)。

颗粒，所有形状和大小，以非常具体的方式与其环境相互作用。例如，光子可以 - 并且可以在原子郊外敲出它们的轨道 - 但仅用于有限的时间：驱动的电子通常返回以通过迅速的踢和爆发向光子送出。科学家称之为这个过程激发和排放。这是一种在科学中被剥削的现象，以产生我们目前认为理所当然的许多技术奇迹。如何以非常精确的，可靠的方式描述粒子与周围环境的相互作用。

但是，有时粒子意外行为：它们似乎打破了传统物理学的法律，对周围环境的影响越多，或其他可测量的品质，表明他们应该。科学家称为这些衣服的粒子，俄亥俄州教授通过利用一个特别特殊的案例来证明，穿着的光子，它们开始在全新的方向上引导我们。

脱壳科学:探索量子场论的腹地
物理学可以分为许多不同的领域——经典物理学、相对论物理学、量子物理学(仅举几例)——而我们这个时代最大的问题之一是，这些领域并不总是相互配合得很好。量子场论(QFT)的发展是为了试图弥补经典场论、狭义相对论和量子力学之间的差距，并用来代表亚原子粒子的世界。

在QFT中，当一个粒子服从经典物理学的一组方程时，我们说它是壳上科学的一个例子。这个术语来自于这样一个事实，即这些特定的方程与粒子的能量、动量和物理学家喜欢称之为质量-壳层(但在我们的目的中可以被认为是普通的旧质量)有关。当一个粒子不遵循这些运动方程时，它就是一个脱壳科学的例子——这是一个我们仍有很多东西需要了解的物理学领域。大津教授解释说:“被修饰的光子有很多独特的特征，这些特征是传统量子场理论从未描述过的，传统量子场理论只研究壳层科学现象。”

脱壳科学是一个极其肥沃的物理区域，没有人真正知道它在未来可能解锁的秘密。回到1960年，当几个无人梳理的物理学家建造了第一激光时，它并没有真正有目的。今天，正如我们已经看到的那样，它是我们家庭娱乐系统的核心等等：激光技术是我们目前推动核聚变的核心，这将解锁基本上无限的能源供应。如果达到，它将永远改变历史过程。

使用硅晶体的高功率led和激光器
俄亥俄州教授利用这种肥沃的科学领域，从硅晶体中开发世界上第一个高级LED和激光器。This is important because, after oxygen, silicon is the most abundant material in the Earth’s crust: for more than half a century it has been the primary material used in electronics and, as a result, a worldwide infrastructure is already in place for creating silicon-based devices. In other words, it would be extremely cost effective to develop light emitting devices based on silicon. On the other hand, silicon is widely believed to have a low light emitting efficiency and, as a result, is thought of as an extremely difficult material to work with when creating light emitting devices. Rather than be put off by such a seemingly unattainable challenge, scientists around the world have set it as their target – intent on catching the white whale of materials science.

要创建他的设备，俄亥俄州教授并未设计新的材料组合，以实现所需的发光器件，但开发了一种新的工程方法。他称之为衣服的光子 - 声子辅助退火的新方法是一种纳米制造技术，它利用脱壳科学以新颖的方式生产发光材料。使用称为焦耳加热的技术，并在过程中用光溢出材料，他能够以之前从未见过的方式锁定特定波长。“制造装置的独特特征是发射光的波长等同于在退火期间照射的光的波长”。“ohtsu教授解释道。“这个令人惊讶的功能被命名为”光子育种“，它从未在传统的LED和激光器件中观察过。

在一个过程中，大津教授同时完成了看似无法完成的任务，并解锁了新的信息。

在一个过程中，大津教授同时实现了显然无法实现的目标，并解锁了有关我们生活的世界的新信息。他的设备不仅将在科学技术的许多方面发挥极其重要的作用，而且他所发现的令人惊讶的新科学也为研究人员了解未知事物提供了新的方向。科学就是这样进步的，它不断地凿开未定义的巨大壁垒，用知识和理解填补小裂缝。谁知道大津教授用他的研究创造出的光芒还能揭示什么呢?