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觀察、控制特異材料表面之電子自旋的方法

only-perception
・2012/01/02 ・1823字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 606 ・十年級

稱為「拓樸絕緣體(topological insulators)」的特異材料,被發現不到幾年,就已被 MIT 研究團隊發現了秘密之處。該團隊率先證明,在這種材料表面流動的電子的自旋資訊可利用光來獲得,他們甚至發現一種方法,透過改變光源的偏振,來控制這些電子的運動。

這些材料為基於自旋電子學的新型裝置開啟了可能性。其所用的是一種稱為自旋的電子特性,而不是像一般電子裝置那樣使用它們的電荷。那也允許對現有技術(例如磁性資料儲存)進行更快速的控制。

拓樸絕緣體是一些呈現出反常特性的材料。一塊三維的材料,表現就如同傳統的絕緣體(如石英或玻璃),那阻止電流的移動。然而,該材料的外表層卻像是一種非常優良的導體,可讓電流自由地流動。

要理解任何固態材料特性的關鍵在於分析材料內部的電子行為 — 尤其是測定這些電子可能會出現什麼樣的能量、動量與自旋的組合,MIT 物理學助理教授 Nuh Gedik說道。Gedik是最近二篇描述這些新發現的論文資深作者。這一組組合決定了一種材料的關鍵特性 — 例如,那是否為金屬,或著那是否透明。”那非常重要,不過要測量確非常具有挑戰性,” Gedik 表示。

傳統的測量方法是在一塊固態材料上照光:光會將固體的電子踢出,一旦它們被轟出來,就能夠測得其能量、動量與自旋。Gedik 表示,挑戰在於這種測量只能給你特定點的資料。為了要填滿這個地景中額外的點,傳統方式是稍微旋轉此材料,然後進行另一次讀取,然後再旋轉、再讀取 — 一種非常緩慢的過程。

Gedik 以及他的團隊,包括畢業生 Yihua Wang 以及 James McIver,MIT 博士後 David Hsieh,則設計出一種方法,一次就能對電子能量、動量與自旋進行詳盡的三維測繪。他們利用短暫、強烈的圓偏振雷射光脈衝辦到這件事,其傳播時間可精確地被量測出來。

Wang 表示,透過這種新技術,MIT 研究者能獲得「朝各種不同方向行進且具不同動量的電子」其自旋與運動有何關係的圖像,那利用其他方法只能獲得片段時間。在一篇出現在 11/11 Physical Review Letters 期刊的論文中(http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.107.207602),Gedik 以及他的團隊描述這種方法。

除了展示這種新奇方法並證明其效用外,Gedik 表示,”我們學到一些意料之外的事。” 他們發現,自旋方向並非精確地與電子運動方向垂直,當電子以較高的能量運動時,會產生非預期的傾斜 — 預期準直的一種偏差(a sort of warping of the expected alignment)。Gedik 表示,當這些材料被用於新技術時,理解這種歪曲將十分重要。

研究者表示,該團隊高速測量電子運動及自旋的方法並不僅限於研究拓樸絕緣體,在磁鐵以及超導體等材料的研究中也有所應用。

在電子流經這些材料表面的方式中,有一種不尋常的特性:此即,不像一般的金屬導體,這些材料裡的雜質對整體電導率的影響程度不高。在絕大多數的金屬中,雜質使導電率快速降低,因此阻礙電的流動。這種對於雜質的相對不敏感(imperviousness)將使得拓樸絕緣體成為某些電子應用裡的重要新材料,儘管這些材料太新了,絕大部分的重要應用都仍未預見。一種可能性是,它們可以在一般金屬會過熱(因為雜質的阻礙效應)且危及材料本身的情況下,用來輸送電流。

在第二篇論文(http://arxiv.org/pdf/1111.3694)中(出現在今日的 Nature Nanotechnology 期刊上), Gedik 與他的團隊證明,一種類似他們用來測繪電子態的方法,也能夠用來控制電子在這些材料表面上的流動。那有效是因為電子的自旋方向總是近乎垂直於它們的移動方向,不過也只有朝某一特定方向自旋的電子會受到給定的圓偏振雷射光束的影響。因此,光束能用來推開所有朝某一方向流動的電子,留下朝其他方向流動的有用電流。

“這有非常立即的裝置可能性,” Gedik 表示,因為那允許電流的流動完全受到雷射光束的控制,且沒有直接的電子交互作用。可能的應用會是一種新的電磁儲存(例如用於 PC 中的硬碟),現在的裝置使用電流將每一個儲存好的位元從 0 「翻轉」到 1 ,反之亦然。能以光控制這些位元將使反應時間更迅速,該團隊表示。

電子行為的駕馭也許會成為一種技術關鍵,那將導致自旋電子電路的創造,利用電子的自旋而非它們的電荷來乘載資訊。除此之外,這樣的裝置在新量子運算系統的創造上也會是重要的一部份。許多研究者認為,那種系統在某些高度複雜問題的解決上會明顯勝過一般電腦。

史丹佛大學的物理學教授 Zhi-Xun Shen(未涉入這項研究)表示,MIT 團隊利用他們新奇的實驗方法,證實了拓撲表面的理論化結構。除了證實這件事之外,他表示,他們的第二篇論文是雷射與表面電流之間 “迄今最直接的光耦合(optical coupling)實驗證據之一,” 也因而 “在光–自旋電子學中具有吸引人的潛力。”

資料來源:PHYSORG:Researchers find way to observe, control the way electrons spin on the surface of exotic new materials[December 5, 2011]

轉載自only-perception

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only-perception
153 篇文章 ・ 1 位粉絲
妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

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科技魅癮_96
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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》