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蓝光LED与日本人的执着

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直到生理医学奖公布的前两天我才开始关注今年诺奖的颁布。我知道,反正有人会提醒我关注诺奖,提醒我“预言”一下诺贝尔物理学奖将花落谁家。

  造成这种局面当然不是因为我是一个了解所有物理领域的专家,可以肯定地说世界上没有一个活着的人会了解物理学所有领域。真正的原因大概有两个,之一是,过去数年间我喜欢在诺奖公布前做一下“预言”;原因之二是,在过去的2008年、2011年和2013年我都猜中了。

  我当然不了解所有领域,有几年我没有猜中或者干脆放弃猜测。我猜中和放弃猜测的原因是一样的,因为我知道诺贝尔物理学奖在近二十年来有一个不成文的规则,每五年是一个周期,分别奖给以下五个领域:粒子物理学、光物理、凝聚态物理、宇宙学、原子分子物理。轮到凝聚态物理和原子分子物理,我就放弃猜测。

  十月六日,我在微博上写道:“明天是诺贝尔物理学奖发布会,我去年就预测今年的物理学奖,我的首选是负折射率材料,即超颖材料,如果这个领域获奖,获奖人当然该是 J. B. Pendry, D. R. Smith, D.Schurig。另一个可能是LED的发明,至于到底奖给谁就很难说了。”

  今年的诺贝尔物理学奖又被我猜中也不是什么稀奇的事。当然,为了保险,我一共猜了两个,第一个是超颖材料,也就是负折射率材料,这种材料是过去十五年物理学研究中发展最快的领域之一,如果不是唯一。第二个就是LED,即发光二极管。

  我猜到了LED,却没有猜中是三个日本人获奖,当然,事先是知道中村修二得奖的机会很大,另外两个日本人可能得奖,也可能不得。

  除了物理学,我还喜欢猜测谁会获得诺贝尔文学奖,这是极为困难的一件事,所有人都同意文学不像科学那样“硬”,谁得都有可能。但文学是几乎所有人都关心的事,猜测一下很有娱乐性。

  回到物理学奖,今年获奖的研究是发光二极管。二极管是一个比较“古老”的东西了,由半导体制成,在施加电压之后有单向导电性。我们小时候很熟悉这种器件,二极管是自制半导体收音机时必须用到的。它是半导体制成的一种“结”,在结的两端加上电压,如果是正压就会出现电流,如果是负压就不会出现电流。为什么是单向导电呢?因为它由两种不同特性的半导体构成,其中一种半导体内的电子是自由的,而另一种半导体内的电子空穴(带正电)是自由的。如果运气好,在加上电压后,一端的电子跑到另一端与空穴“湮灭”,释放出的能量以光的形式发射出来,这就是发光二极管了,英文简称LED,light-emitting diode。

  LED被发现了至少半个世纪,按照文字记载,甚至有了一个世纪,只是在过去的半个世纪中,LED被认识到有应用价值。最简单的应用就是电视遥控器上的那个红外光发射灯,这种红外LED也是最早被发现的,1961年被注册专利,1962年就商业生产了。

  紧接着红外LED,红光LED就被发现了,是1962年的事。接下来,人们花了十年时间才找到黄光LED。同时,蓝光LED也被发现,只是亮度很低,没有实际价值。

  这就要谈到名古屋大学的赤崎勇教授,他是今年三位获奖人中年纪最大的,85岁了。他在35岁才获得博士学位,快四十岁的时候才研究蓝光LED,那是六十年代末。这事被一度搁置,直到80年代随着更好的氮化镓的出现,他重新捡起老行当继续研究蓝光LED,那时,他的学生,另一名诺奖获得者天野浩加入了他的团队。虽然赤崎勇在1981年就重新捡起蓝光LED,真正的突破是他和天野浩在1989年做出来的,此时,赤崎勇已经60岁了。因此,这位先生带给我们的教训就是,不要忘记你最想做的事,要一直做下去。

  江湖上故事比较多的是中村修二,是他的发现将蓝光LED真正带到商业应用中。

  中村出生于1954年,23岁毕业于德岛大学(你可能不会知道德岛在哪里,这是一个位于四国,与大阪隔海相望的城市),两年后获得硕士学位进入位于德岛的日亚化学工作,那是1979年,距他做出重要发现还有14年。他在日亚的主要工作是开发磷化镓,这是一种可以用来制造LED的晶体。当时,日亚不像现在这么富有(现在的富有当然是因为蓝光LED),中村修二的条件很艰苦,石英管都需要自己焊接,经常制造爆炸事件,就这样他辛苦地做了三年。

  接着他开始生长砷化镓,这也是一种制造LED的材料,同样需要自己艰苦地焊接石英管,一做又是两年。从1985年起,中村开始研发铝砷化镓。所有这些材料制造出来不是用来自己做LED的,而是卖给别人,这么做当然效率太低,中村决定自己做LED,也成功了。这还远远没有到中村研制出高亮度蓝光LED。到了1992年,中村从美国学习回来,开始专注改进蓝光LED,这里面有许多有趣的故事,例如他瞒住公司发表论文,慢慢地将蓝光LED的亮度提高到一个坎德拉(光强国际单位,candela,是一光源在给定方向上的发光强度,该光源发出频率为540×10的12次方赫兹的单色辐射,且在此方向上的辐射强度为1/683瓦特每球面度。)。

  在成功研发出基于氮镓铟的高亮度LED后,中村又研制出蓝光半导体激光器。现在,中村手中握有超过一百项的专利。

  从中村修二和赤崎勇的故事我们能学到什么?日本人是人所共知的非常倔强的民族,我多年前和他们中的一些物理学家打过交道,切身体会过他们认死理的性格。这种认死理的性格让他们在西方人不能获得成功的地方获得了成功,高亮度蓝光LED一向被认为是很难找到的,赤崎勇和中村修二就找到了,一个从六十年代末工作到九十年代初,一个从八十年代初工作到九十年代,而且,中村修二现在还在加州大学继续工作。一个人一辈子能做的事情确实不多,所以才要认死理,看准一件事情做下去,今年做不到那么明天再做,明天做不到后天休息一会儿以后再做。

  关于中村还有一个有趣的故事。据说,中村发明蓝光LED的时候,日亚化学给他的奖金只有两万日元,相当于两百美元。另一种说法是,1999年中村离开公司的时候,日亚试图用六千万日元(相当于六十万美元)买断中村所有的发明。反正,中村不服气,2001年开始和日亚打官司,将日亚告上法庭,法庭裁决日亚应该支付中村两百亿日元,这可是一大笔钱,约为两亿美元。日亚不服,2005年,双方最后以八亿四千万日元(九百万美元)和解。很多人一直误以为中村获得了数十亿美元,其实只有九百万美元。有人说,这也许是中村一怒之下离开日本去美国的原因。

  不管怎么样,加州大学圣芭芭拉分校将中村当作一个宝。2009年,《环球科学》刊登了中村修二自己和科学史专家赖尔登写的一篇文章。在文章中,作者开篇就提到,当中村的实验室制造出廉价的绿光激光器的时候,校长杨祖佑亲自赶到实验室去观看。有趣的是,在这篇文章中作者写道:“蓝色发光二极管本身并不是一个巨大的革命,但日本日亚化学、索尼和其他一些公司在制作蓝光播放器时都陷入了困境。这些二极管的传统制作方法存在着一些固有的缺陷,成品率低、成本高。”从这段话我们看出,中村并不满意他十年前的成就,一直在制造更多的东西。

  最后,我们谈一谈为什么今年的诺贝尔物理学奖或颁给发明蓝光LED的人。首先,仅仅有红光、黄光LED人们还造不出白光LED,有了蓝光LED之后,不论是利用三原色原理还是用蓝光产生波长更长的光,白光LED的出现就是自然的了。其次,高亮度的LED给实际应用打开了门窗。现在,LED已经进入了普通家庭,其发光效率和寿命远远高于白炽灯。

  据说,LED效率的提高速度也遵从摩尔定律,也就是说,每过三年就提高一倍。而成本呢?据说每过十年一个流明的成本就降低十倍,而每个LED封装的亮度提 高20倍,这个定律叫海兹定律(Haitz's law)。如果这个定律继续成立,到了2020年,LED光源将成为最便宜的光源,假如届时全世界都用上LED,全世界用于照明的耗电将减少一半。

  所以,有人说,白炽灯灯照亮了二十世纪,LED将照亮二十一世纪,这话肯定是对的。

  有人抱怨近年来诺贝尔奖有点偏向应用,其实这是一种误解,诺贝尔奖在历史上向来只颁给两类发现和发明,一类是发现了新的物理现象和机制,一类是有巨大应用的发明。前者不用举例了,后者我们可以找到第一个物理学奖获得者伦琴,因为慢中子获奖的费米,发现核磁精密测量的人,晶体管的发现者,等等。

  最后,我想说,不论是诺奖也好,还是人生中的其他荣誉也罢,它们只会落在那些一根筋人的身上,而日本人在这一点上值得我们学习。■

  作者为著名科普作家、理论物理学家,中山大学天文与空间科学研究院院长

 

来源:财新网

19条回复

1
屁屁桑

中村对于日本的科学研究现状乃至教育制度,都直言不讳地表示了批评。
  “在日本,企业和研究人员就是老爷和仆人的关系。这是不是有点奇怪?”、“考试无法产生创造型人才。应该废除大学考试制度。”

2
莫娜

@屁屁桑 这没什么奇怪的,说的科研教育体制,作者谈的是日本国人具有的某些特性,没什么冲突。其实所谓一根筋的精神在日本并非科研人员所特有,日本的职人精神根深蒂固,那位著名的寿司之神就是范例。

3
lves

有朝一日,宇.宙真.理.部会把诺贝尔评奖委员会转变成鲁迅文学奖的评选委员会。

4
鱼小伤

据说,LED效率的提高速度也遵从摩尔定律,也就是说,每过三年就提高一倍。而成本呢?据说每过十年一个流明的成本就降低十倍,---这个降低好像应该是90%吧?

5
掌灯田下

很多大企业都放弃了的,这三个大学教授不离不弃的搞了十几年,成功了。让我们还在研究马克思主义的大学教授光着身子搂着博导小妹妹脸往哪搁。

6
rubies

@掌灯田下 查水表啦 哈哈哈

7
请给流氓一把吉他

我们一根筋的研究
马列
毛概
邓论
三个代表
和谐社会
群众都到河对岸了
我们还执着的在河里摸石头

8
卡其的妙芙

这还怎么抵制日货啊。。

9
落樱

@卡其的妙芙 宁要社会主义的蜡烛,不要资本主义的灯泡

10
布鲁布

@卡其的妙芙 好问题,抵制日货的爱国者出来回答一下。

11
第四纪

作者说,“日本人在这一点上值得我们学习”,这句话我不能赞同。我们总是这样,好像要把世界上别人好的东西通通拿来,变成自己的。这种思维实际上是错误的。人类不同的地域、人种存在着各种差异,这种多样性在互联网时代是人类整体发展的原动力。中国这么多人口,本来就存在着很多一根筋的人。不需要学习这个、学习那个。重要的是打破枷锁,让中国人真正成为人类的一部分,而不是把中国人与其他人类隔绝开来。

12
贩本太郎

@第四纪 人家说的是一种治学的态度。好的态度就应该学习,不是吗?我们应该学习人家的东西还多着呢!

13
今夜我在德令哈

@第四纪 中国人太聪明了(小聪明), 太会变通了,人家很多好的理念(特别是制度、法制方面,科技实体方面除外)引进后,加入自己的东西后,反而适得其反,搞得乌烟瘴气。

14
ninn

@第四纪 鲁迅有篇文章叫《拿来主义》

15
左左

文无第一,武无第二。

16
贝斯特踪迹

什么样的制度塑造什么样的人!

17
路口

对于光色应该是红绿蓝三基色才能产生白光

18
rinco

@路口 不是红、黄、蓝么?

19
十一月

两点,第一以后遇到抵制日货肿么办?第二,日本其实是有点压制创新的研究体制,尤其是企业中,中村批评的对。但是日本一根筋的态度也是他们成功的关键。

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