2014年1月7日 星期二

量子物理的日常應用

量子物理學的特點就是違反常識,舉個例子,量子物理學有一個名為‘隧道效應’(tunnel effect)的奇怪現像,想想,若你以身撞牆,常識告訴我們不外祗有兩個可能性,一是牆身無損,你就留在牆前的一邊(至於是否需要召喚救護車或黑箱車,就不說了)。另一可能性就是如超人一樣,把牆撞破而到達牆的另一邊。

但是難以想像的是你和牆壁都完好無缺,但你就是穿牆到了另一邊!

量子物理學就是違反常識!

但是‘隧道效應’我們就是天天在用,甚至是時時在用!甚麼?我可沒有穿牆啊!你沒有,事實上,按照量子物理學的計算,你是有可能穿牆的,但機會之微,可能你不停撞牆,撞上幾百億年,還不能穿上一次呢!但對於電子來說,穿牆就是‘家常便飯’,穿牆的概率就和電子的動量(momentum)和阻隔的強度有關。一如以往,我盡量不在這裏使用數學推導,但可以這樣比喻,將你自己想像成電子,在低動量時房間才有意義,當你高速運動時,你便可以在不損壞牆壁和自己的情況下,穿過牆壁到另一邊。

隧道效應很早就在電子學上有應用,但並不是人人都會用得到。可是今天就差不多人人都會不停使用隧道效應的產品,這就是快閃記憶(flash memory),也即是記憶咭、usb手指、智能電話等等……的記憶裝置!

記憶體基本上可分為揮發性(volatile)與非揮發性(non-volatile),揮發性的意思是記憶祗有在電源存在下才有效,我在《短暫的記憶》一文內便討論過動態記憶體(dynamic memory),其記憶有效時間短於十分一秒,必需經常的刷新(refresh),才能保持記憶。

望文生義,非揮發性記憶就是無需電源也可長時期保存記憶,今天大家都習以為常,但這實在是項很大的技術挑戰。而flash memory正是應用了隧道效應達成這任務。

大家可以把flash memory想像成一間‘獨立’的房間,我們可以觀察這房間電子的數目,便可以決定其記憶的資訊,實際運作會比較複雜,特別是有所謂MLC的設計,但就以SLC為例,我們可以簡單地認為當這獨立房間的電子數量達致某一水平時,這便是1,反之便是0。

我很強調‘獨立房間’,動態記憶同樣是用電子量來記憶資訊,但其‘房間’並不獨立,可以看成是個和外面世界有管道連接的水箱,水(電子)可以通過這些管道進出,我們也通過這些管道測量水箱的水量,但也不可能避免地會‘漏水’,所以記憶祗可維持非常有限的時間。可是問題就來了,既然是獨立房間,我們又如何可以令電子鑽進去和走出來呢?

這便是隧道效應神奇之處,祗要電子的動量大於某水平,它便可以‘穿牆’!把資料寫入flash memory,就是要在控制下增加電子的動量,這便可以令其進出這間獨立房間,當其動量回復正常水平時,電子便會‘乖乖’的留在‘獨立房間’內!變成‘永久’記憶。

我就是經常說,很多人說量子物理學都是誤解,因為可與日常生活類比的都不是量子物理學,我們無法想像一個人可以秋毫無損自己和牆壁的情況下,穿越牆壁。但在微觀世界,這些事情便經常發生,而電子學便經常用這些違反常識的現像,製成我們天天在用的產品。神奇!神奇!

沒有留言: