光電信息功能材料與量子物理研究

周舟　陳淵　黃軼瞾

摘要：現(xiàn)就光電信息功能材料的重要性作為研究的基礎(chǔ)，著重就光電信息功能材料和量子物理進(jìn)行闡述，根據(jù)二者之間的關(guān)系，提出相關(guān)的理論。

關(guān)鍵詞：光電信息；功能材料；量子；物理

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，信息技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了一種光電信息功能材料，所謂信息功能其實(shí)就是指信息的傳輸、存儲、接受顯示、控制、產(chǎn)生以及轉(zhuǎn)換的能力，其主要的技術(shù)指標(biāo)包括：大容量傳輸、多功能、高速度以及低能量的消耗等。近年來，隨著光電信息技術(shù)的結(jié)合，使信息技術(shù)的發(fā)展水平越來越高，其傳輸速度已經(jīng)達(dá)到了Gbot，大容量的數(shù)碼儲存已經(jīng)達(dá)到了KT級別，實(shí)現(xiàn)了聲音、圖像和數(shù)據(jù)三位一體的功能，有效降低能量的損耗，并逐漸向微觀物理發(fā)展。因此，在研究光電信息功能材料的時候，必須要以量子物理作為其支撐。現(xiàn)就光電信息功能材料的重要性作為其研究的基礎(chǔ)，具體闡述量子物理在光電功能材料中的重要性。

1 光電信息功能材料的概述

在科學(xué)技術(shù)發(fā)展過程中，材料研究一直都是技術(shù)發(fā)展的先導(dǎo)，同時也是發(fā)現(xiàn)和完善科學(xué)規(guī)律等的重要基礎(chǔ)。人們在生存和發(fā)展的過程中，不斷地向物質(zhì)世界索取財(cái)富，而這就是技術(shù)和科學(xué)發(fā)展的最終目標(biāo)，怎樣才能將這些物質(zhì)轉(zhuǎn)化為我們自己的財(cái)富，首先要對物質(zhì)運(yùn)動的規(guī)律進(jìn)行探索和總結(jié)，以此來找尋轉(zhuǎn)化為物質(zhì)財(cái)富的方法，其前者主要是指科學(xué)，后者則是指技術(shù)，在這個基礎(chǔ)上來進(jìn)行材料的研究。

隨著量子論的發(fā)展，給予了人們最為直接的啟示就是揭示了原子中電子的運(yùn)動規(guī)律，尤其是原子最外層價(jià)的電子運(yùn)動規(guī)律，其中首先開發(fā)應(yīng)用的是一種金屬性的材料，主要包括不銹鋼、特殊鋼材、黑色和有色合金等金屬材料，使電磁場能量的應(yīng)用逐漸進(jìn)入到了電子層次微觀物理的范疇內(nèi)。同時量子論還提出了固體中的電子能帶理論，準(zhǔn)確揭示了固體材料中的電子能帶結(jié)構(gòu)的分布規(guī)律，從電子運(yùn)動微觀物理的機(jī)制區(qū)別了絕緣體、半導(dǎo)體和金屬，開發(fā)出了一種新型的半導(dǎo)體材料，使電子學(xué)材料逐漸進(jìn)入到了電子信息功能材料的范疇內(nèi)。隨著半導(dǎo)體材料的開發(fā)和研究，在60～70年代，開始出現(xiàn)了一種電子技術(shù)，這種電子技術(shù)主要是通過固體電子學(xué)器件的更新，形成一種電子氣類型的電子學(xué)器件，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展成為的電子回路集成化技術(shù)和電子學(xué)器件的小型化，以及目前的超大規(guī)模的集成電路以及高速輕巧的電腦，使社會開始向電子技術(shù)時代發(fā)展，改變了傳統(tǒng)的測量檢測技術(shù)、通信技術(shù)以及其他的信息處理技術(shù)，奠定了信息技術(shù)的基礎(chǔ)。

隨著半導(dǎo)體的開發(fā)和利用，電子材料的科學(xué)地位已經(jīng)變得越來越重要，研究材料不僅是科學(xué)發(fā)現(xiàn)的先導(dǎo)，同時也是完善科學(xué)的實(shí)驗(yàn)對象，是開發(fā)技術(shù)的物資基礎(chǔ)，貫穿于科學(xué)技術(shù)的整個過程。此外，隨著光纖技術(shù)的興起，光纖技術(shù)和激光技術(shù)的結(jié)合，為信息技術(shù)的發(fā)展奠定了一個更為牢固的基礎(chǔ)。由于光集成技術(shù)和光存儲技術(shù)的牽引。使光子學(xué)信息功能材料的開發(fā)和研究進(jìn)入到了微觀物理層次，拓寬了其研究的范圍，其覆蓋面積包括非金屬、無機(jī)、金屬、有機(jī)、靜態(tài)、非靜態(tài)等學(xué)科和技術(shù)，使電子計(jì)算機(jī)發(fā)展成為了信息儲存、傳輸和處理等智能工具，推動了信息技術(shù)的發(fā)展。

2 光電信息功能材料和量子物理的研究

2.1 電子學(xué)信息功能材料和量子物理研究

將電波或者電子作為信息載體的一種信息功能材料被稱為電子型的信息功能材料，大多數(shù)的電子型功能材料都屬于周期性且原子排列的晶體材料，在研究電子學(xué)信息功能材料中的量子物理必須要注意以下幾個問題：第一，量子的尺寸效應(yīng)；第二，量子的共振隧道效應(yīng)；第三，電子運(yùn)動的波粒二像性的運(yùn)動規(guī)律。

2.2 光子學(xué)信息功能材料和量子物理研究

所謂光子學(xué)信息功能材料主要是指以光波或者光子作為信息載體的材料，在本文中所討論的材料主要為傳輸型材料，這種類型的材料主要是指塑料、玻璃或者石英等一些非晶態(tài)的固體材料。隨著光集成技術(shù)和光纖技術(shù)的不斷發(fā)展，這種類型的材料已經(jīng)成為目前比較常用的光信息功能材料，是目前應(yīng)用最廣以及發(fā)展前景最好的一種材料，就著重對這種類型的材料進(jìn)行闡述。

2.2.1 光子學(xué)信息功能材料的相關(guān)物理基礎(chǔ)。隨著光信息技術(shù)和光子技術(shù)的快速發(fā)展，我們在分析這種非晶態(tài)的固體材料的時候，應(yīng)著重從介質(zhì)和光子之間互相作用的量子物理問題入手，比如，在介質(zhì)中光運(yùn)動所遵循的量子運(yùn)動規(guī)律；介質(zhì)中的光傳輸體系是非相對論性還是相對論性；空氣中的波粒性二像性和在介質(zhì)中光傳輸?shù)牟Ｐ远裥源嬖诘膮^(qū)別；光子是否存在靜止質(zhì)量。

2.2.2 光子技術(shù)發(fā)展提出的相關(guān)量子物理問題主要有以下幾點(diǎn)：第一，激光器的轉(zhuǎn)換效率較為低下，要想解決這一問題，我們可以將光運(yùn)動行為和電子運(yùn)動的量子理論進(jìn)行結(jié)合，使光子學(xué)信息功能材料同樣具有共振隧道效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)，以此提高激光器的轉(zhuǎn)換效率。第二，光子晶體的問題。在1987的時候，John和Yabdonovitch通過實(shí)驗(yàn)提出，如果周期性介質(zhì)是人工制造的話，其光的傳輸具有一定的波段選擇性，通常被人們稱為光子帶系結(jié)構(gòu)，而這種周期介質(zhì)被稱為光子晶體，同時還預(yù)言光子晶體將會是傳輸光的一種半導(dǎo)體，實(shí)現(xiàn)對光的人工控制，使光子晶體成為了國內(nèi)外研究光子學(xué)信息功能材料的一個熱點(diǎn)，而要想解決這一問題，首先要了解在介質(zhì)中光運(yùn)動的量子規(guī)律等問題。第三，多孔硅發(fā)光的問題和光耦合問題等。

2.2.3 根據(jù)上述中光子學(xué)信息功能材料中量子物理的研究，國內(nèi)外很多的學(xué)者都認(rèn)識到了研究光電信息功能材料時，必須要結(jié)合量子物理來進(jìn)行研究。現(xiàn)就近年來光學(xué)信息功能材料中量子物理的研究，提出相關(guān)的建議：第一，光在介質(zhì)中的傳輸物理模型是否一定是電磁波；第二，波動光學(xué)主要是指光的電磁場理論，即研究在氣體中和真空中光的傳輸，那么在固體介質(zhì)中光的傳播是否會成功；第三，量子力學(xué)的使用條件必須要有重物質(zhì)粒子，那么在實(shí)際應(yīng)用過程中，怎樣通過量子物理方程或者其他的定量公式來表示光子等。

3 結(jié)束語

綜上所述，光電信息功能材料的開發(fā)和研究必須要通過量子物理的支撐，目前光電信息功能材料的研究其實(shí)就是指以光波、光子、電波、電子作為其信息載體，研究量子物理在光電信息功能材料中的作用。

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作者簡介：周舟（1991，3-），男，江蘇無錫人，學(xué)歷本科。

黃軼 （1990，8-），男，江蘇宜興人，學(xué)歷本科。

陳淵（1991，10-），江蘇江陰人，男，學(xué)歷本科。