以下文章经许可转载自The Conversation，这是一个报道最新研究的在线出版物。
你可能在口袋里装着今年诺贝尔奖得主的研究成果。事实上，如果你正在用手机或相对较新的平板显示器阅读这篇文章，你很可能正在盯着其中的一些成果。
2014年诺贝尔物理学奖 被授予了 赤崎勇，天野浩 和 中村修二，以表彰他们在蓝色LED（发光二极管）方面的开创性工作。蓝色LED之所以重要，有两个原因：首先，蓝光本身有其特定的应用；其次，它是白光的重要组成部分，而白光是白色LED以及LED电脑和手机屏幕成为可能的原因。
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灵光乍现
那么，什么是LED？从根本上讲，最简单的LED是将两片半导体材料夹在一起。顾名思义，半导体是不太擅长导电的材料。
这种特性似乎使它们显得非常普通，但实际上，这种电流传输能力不强的特性对技术人员来说具有巨大的优势：它的灵活性。如果你拿一块半导体——例如硅——并在制造过程中混入少量杂质，你就可以彻底改变其电气特性。
你可以制造的两种主要类型的半导体被称为n型和p型。要制造n型半导体，你添加的杂质需要是具有大量电子的物质。这会使半导体中有多余的电子，并使其导电性稍微好一些。
p型半导体则相反：你添加一种化学元素，该元素与周围的半导体相比缺少电子，最终你会得到多余的“空穴”——缺失的电子，这些电子被你添加的杂质从半导体中窃取。（与直觉相反，这也增加了导电性，因为这些空穴也可以携带电流！）但当你将n型和p型连接在一起时，真正的奇迹就发生了。
让电流通过你新制造的p-n结，电子会从n型材料流入p型材料，然后迅速落入空穴中。当它们骤降时，会发出一小束光。
光的颜色取决于你使用的半导体。例如，硅虽然非常适合用于计算机芯片，但对于照明来说效果不佳。硅LED发出的光会深入到红外范围，人眼是看不见的。尽管如此，红外LED非常有用：它们是你的遥控器如何让你从沙发上向电视发送指令的方式。但即使在这里，硅也不被使用，因为一些微妙的原因，它是一种效率非常低的红外光源。
灵感时刻
因此，如果你想制造一个发出特定颜色光的LED，你只需要找到一种具有合适的特性来发出你感兴趣的颜色的光的材料。在某些情况下，这非常简单。使用基于砷化镓的材料，红色LED从 20 世纪 60 年代初就已问世。此后不久，使用磷化镓制成了绿色 LED。然而，蓝色被证明是一个挑战。第一批商业化的蓝色 LED 于 1989 年上市，它们基于碳化硅，但与纯硅一样，它们的效率非常低。
这就是我们诺贝尔奖获得者发挥作用的地方。生产蓝光的更好选择是氮化镓（你可能已经注意到，当涉及到用电产生光时，镓的某种形式是关键）。不幸的是，与其他的镓化合物相比，从这种化合物中引出强光要困难得多。
首先，事实证明，很难生长出高质量的氮化镓晶体。通常，在具有相似晶体结构的表面上生长晶体是最容易的，但氮化镓复杂的原子排列使这有些困难。然后，要使LED更有效率，需要在理想化的p-n结LED之外，对更多的材料进行复杂的层层叠加。这种量子三明治中各层的宽度变化甚至可以改变发出的光的精确颜色（理论上，这些“蓝色”LED可以被调整为发出绿色、黄色甚至橙色光）。
从蓝色到白色
尽管制造复杂，但蓝色LED现在无处不在。例如，它们可以在蓝光播放器内部找到。蓝光具有较短的波长，这使得蓝光光盘上的凹槽比DVD上的凹槽更小、更紧密，后者是用红光读取的。这意味着我们可以在与DVD相同大小的光盘上存储超过五倍的数据。
然而，它们最大的影响无疑是让我们能够生产白色LED。白光实际上是彩虹所有颜色的混合物，如果你用棱镜将它分开，或者如果你在蓝光光盘、DVD或CD的表面捕捉到多色反射，你就可以看到这一点。然而，人眼中只有三种类型的颜色受体：红色、绿色和蓝色。
因此，我们仅使用这三种颜色就可以制造出看起来像白色的东西。将红色和绿色LED与蓝色LED结合使用，使我们能够创建高效的白色照明，提供的光量大约是同等白炽灯泡的20倍。白色LED正慢慢地进入世界各地的家庭、商店和工厂的天花板，但它们今天真正普及的应用是作为计算机和手机屏幕的背光。解锁你的手机或打开一个最近的平板显示器，红色、绿色和蓝色LED透过一层液晶发光，让你能够浏览网页、观看电影，甚至阅读这篇文章。
除了是一项技术奇迹之外，赤崎、天野和中村的诺贝尔奖也是对实验科学中坚韧不拔精神的证明。与精湛的理论见解一样，蓝色LED的开发需要在实验室中进行数小时的反复试验，在略有不同的条件下执行相同的程序，试图最大程度地提高这一棘手过程的效率和成本效益。
结果是这项技术在发达世界无处不在，并且也在向发展中国家迈进。这些获奖者的绝妙想法很可能成为21世纪的光源，当电影版本上映时，我们甚至可以在LED背光电视上的蓝光光盘上观看他们的故事。
安德鲁·斯蒂尔不为任何将从本文中受益的公司或组织工作、咨询、拥有股份或接受资助，并且没有任何相关的从属关系。
本文最初发表在The Conversation上。阅读原文。