0

2
2

文字

分享

0
2
2

如何用穿隧效應,洞察量子天地?中研院自行架設掃描穿隧能譜

研之有物│中央研究院_96
・2017/06/22 ・4175字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 584 ・九年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

量子物理抽象藝術示意圖。圖/Pixabay

「穿隧光譜能譜」的重要性

2016 年 11 月,中研院物理所與台大、清大的合作研究團隊,確認了層狀材料 PbTaSe2 ,如理論預測般具有可形成拓樸超導體的條件。拓樸超導體的特性可以做為容錯性量子計算的基礎,而使量子運算的技術有了重大的發展。

促成此研究的關鍵技術,正是由中研院物理所莊天明研究團隊,利用自行架設的掃描穿隧能譜。應用了量子世界的穿隧效應,而成功觀測到了 PbTaSe2 的能譜特徵與超導特性。

量子世界的穿隧效應

19 世紀末,伴隨著「牛頓力學」、「馬克斯威電磁理論」與「熱力學」三大定律等經典物理學理論的完成,大自然的物理規律,被美麗而清晰的理論與公式所描繪,帶來了物理發展的巔峰。

除了「光速恆定」與「黑體輻射」這兩個既有理論無法解釋的異數,物理學家們幾乎已經掌握了世界運行的法則。然而,短短數年內,科學家們陸續發現經典物理學沒有辦法解釋微觀尺度下的物理現象。

二十世紀初,量子力學的發展,開啟了微觀尺度的物理研究新世界。隨著普朗克(Max Planck)提出能量量子化;德布羅意(Louis de Broglie)提出物質波;戴維森(Clinton Davisson)及革末(Lester Germer)以電子束撞擊鎳晶體表面,發現電子束有類似光波的干涉與繞射現象。進而證實了微觀尺度下,物質在不同條件時會分別表現出現像粒子或波動的特性,稱之為「波粒二象性(wave-particle duality)」。這個微觀尺度下的特性,讓如電子這樣的微小粒子,在遇到能量更高的障壁時,並不會被完全阻擋。

只要障壁的能量不是無窮高,障壁的厚度也不是無窮厚。粒子就有機率可以穿透這道障壁,這就是所謂的「量子穿隧效應(Quantum Tunneling Effect)」。

「掃描穿隧顯微鏡」與「掃描穿隧能譜」

量子穿隧效應也應用於快閃記憶體等當代重要的科技,更被應用於精密觀察物體表面奈米結構的「掃描穿隧顯微鏡(scanning tunneling microscope, STM)」。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

STM 具有原子尺寸的解析度,可以用來觀測物體表面的原子排列、結構及動態行為等。 STM 利用一個微小的探針,在探針與待測物之間加上一個電壓差(偏壓, bias),當探針與待測物接近到大約 10 Å 的距離,穿隧效應會讓電子從探針穿隧到待測物上,而產生穿隧電流(tunneling current)。

當探針開始在待測物表面水平移動時,由於待測物表面有不同的高低起伏,會改變待測物與探針之間的距離,而影響電子可以穿隧的機率,進而反映出不同大小的穿隧電流。

藉由量測穿隧電流的強弱,可以反推得到待測物表面的高低變化。若是將探針的針尖做到單原子的大小,就可以觀測到待測物表面一顆顆原子排列的樣貌。

掃描穿隧顯微鏡(STM)原理示意圖。來源/The IAP/TU Wien STM Gallery;圖製/廖英凱、張語辰
穿隧效應示意圖:(圖 1)電子填充在待測物的能量谷中,填充的頂部能階,稱為費米能階 εF 。在特定能量 ε 時,這一段能量谷裡所能分布的電子數,就是狀態密度。(圖 2)探針與待測物之間的真空屏障製造了相當大的能量障蔽,阻礙電子的流動。如同爬山一般,必須提供足夠大的能量(功函數),才能讓電子在兩物體之間流動。(圖 3)如果在探針(或樣品)製造一個偏壓,使兩物體的費米能階有高低差時。電子就有機會利用穿隧效應通過真空屏障。在此圖中,電子由待測物的價帶到達探針的傳導帶。 來源/Hoffman Lab;圖製/廖英凱、張語辰

科學家除了利用 STM 來觀察表面結構外,也可以藉量測穿隧電流的微分電導(dI/dV),來得知待測物的電性結構。

科學家從量測穿隧電流的微分電導(dI/dV)得知待測物的電性結構。 圖說/廖英凱、張語辰

LDOS 指的是材料的局部狀態密度(local density of states),可理解為在某一個特定能量時,我們可以放多少電子在這個位置上。同一顆原子, LDOS 會隨能量改變(以半導體為例:在能隙中 LDOS 為零,導電帶中能量越大 LDOS 越高)。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

研究者可藉量測不同偏壓下的穿隧電流,以獲得原子的 LDOS,這種技術就是掃描穿隧能譜(scanning tunneling spectroscopy, STS)。

新穎的量子材料,儘管是相同元素的原子,在一樣的能量狀態下,也會在不同的位置表現出不同的 LDOS 。利用 STM 進行掃描得到表面形貌同時,進行 STS 的量測可以獲得穿隧能譜影像,得知電子在材料中不同位置與不同能量下的 LDOS 分布。

這時候我們可以注意到,要知道待測表面的電性結構,所要量測的物理量,只需要給定的偏壓和量測到的穿隧電流強度即可。研究者在利用 STM 掃描得到待測物表面高度的同時,還可以在每一個測量點上,給予數個不同的偏壓大小,來得到不同偏壓時的穿隧電流以估算出 LDOS 。掃描穿隧能譜(STS)就是應用掃描穿隧顯微鏡(STM)的掃描功能,來量測材料的局部狀態密度。

在傳統電性的實驗中,研究者處理的往往是組成元素較單純的材質。量測的目標是材料的電阻、電壓、電流等電性參數,並不著重於每一顆電子在原子尺度下的行為。猶如觀察魚群的活動,但不針對魚類個體的行為追蹤觀測。

新穎的量子材料中,電子間作用力變得更為明顯,理解電子在材料裡的複雜表現行為,是今日研究材料科學的關鍵。

對於當代更為多元複雜的新穎量子材料,研究人員必須藉由觀測微觀尺度下電子作用機制,才能了解材料中不同元素組成、比例與排列方式對電子運動的實際影響。並量測原子尺度下的相關物理量,提供給理論學家構想與修正模型的基礎。而 STS 的發展,就可以讓我們理解電子在材料中的複雜表現行為。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
STS 能譜示意圖:儘管是在看似平整的表面上, LDOS 卻有複雜不均勻的分布,在不同能量時的 LDOS 分布也不盡相同。這裡就隱藏著微觀尺度下電子作用機制的奧秘。 來源/莊天明提供;圖說/廖英凱、張語辰

隱於中研院地下深處的 STM

利用 STM 和 STS 研究原子尺度的物質特徵和電子結構,仰賴非常高解析度的儀器。中研院 STM 系統藉由穿隧電流的量測,可以解析到小於 0.5 pm 以下(pm = 10-12 m)的表面形貌變化。因此,在量測過程中探針與樣品表面的距離變化更需遠小於 0.5 pm。就如同拿著高達 509 公尺的 101 大樓當作探針,但僅能跟待測物之間有不到 13 奈米的距離調控。

由莊天明博士自製的 STM 探針:如果把 101 大樓比做 STM 掃描探針的話,如同拿著 101 大樓,但要精細調控到 13 奈米的探針進退! 圖說/廖英凱、張語辰

除了距離的調控極度精密外,每次 STS 能譜影像實驗也需量測上百萬顆原子。又由於實驗儀器所仰賴的液態氦低溫環境,會因液態氦的消耗而須定期補充液態氦,使得實驗時間僅能控制在一周左右。這導致在實驗中,每一個 LDOS 的量測時間均不到 0.1 秒。因此,在實驗系統設計上需要極度降低外界的擾動,才能避免擾動所造成的距離變化,變成穿隧電流量測時的雜訊。

這樣探索最尖端的未知領域,已並非商用量產儀器得以觸及的領域,因此中研院物理所莊天明博士的團隊,就在物理所的地下二樓最深處的一隅,自行架設了一套低溫超高真空 STM 系統。

莊天明和中研院自製的低溫超高真空 STM 系統。 攝影/廖英凱

這台 STM 系統,是由中研院物理所的團隊自行設計研發與製作,為了達到極度良好的機械穩定性,並避免來自地震、車輛通行等造成的振動影響, STM 的實驗室位於中研院物理所地下室最不受打擾的角落。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

低溫超高真空 STM 系統裝置在中研院自製的減振系統上,減振系統是利用三個各填充 500 公斤鉛塊的重型支座組成一個穩定的三腳架架構。並在每個支座上裝置共振頻率為 1Hz 的氣動彈簧,其上乘載了包含超導磁鐵與填充 650 公斤鉛塊,總重約 1 噸的工作平台,以此吸收消耗外界的各種振動。

實驗系統裝設在能有效隔絕外界噪音(NIC-51:500Hz 的聲音可降低 51 分貝)的隔音室中,以避免聲音的振幅造成 STM 探針的振動。在減振系統上,STM 探針利用液態氦的潛熱(4He)可達到 1.6K 的最低溫度,這樣低溫超高真空環境可確保樣品表面一塵不染讓研究人員持續觀測同一顆原子長達至少半年。

減振基座的設計須來自對古典力學阻尼的理解;STM 探針元件的設計與材料的採用,更需考量不同材質的膨脹係數與機械性質加以設計製作。

這樣極端條件下的實驗器材,已非商業化量產器材足以負荷,都須仰類研究團隊與中研院物理所頂尖的技師團隊,從零開始的設計與製作才得以付諸實現。這正是科學研究的價值所在,不僅止於成果的發表,更體現於實踐的過程。能造就頂尖研究成果的儀器,並非來自重金重本的投資,更仰賴基礎知識與精進工藝的乘載。

莊天明認為,實驗能力的培養,能讓研究者在設計實驗之始就取得研究競爭的領先地位,進而透過實驗成果提供資訊協助理論的修正。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

從看見原子到發現全新超導體

2016 年 11 月,中研院物理所與台大、清大的合作研究團隊,從理論中預測層狀材料 PbTaSe2 可能具有拓樸超導體的特性,並成功合成單晶樣品。經由掃描穿透式電子顯微鏡(STEM)確認晶體結構;與中研院的 STM 和 STS 觀測到 PbTaSe2 的表面與電子結構,確認了 PbTaSe2 具有形成拓樸超導的關鍵性質。研究團隊認為這個材料有可能作為發展容錯性量子計算的基礎,並已經相關成果刊載於期刊「科學進展(Science Advances)」。

STM 與 STS 這些表面技術的突破與應用,可以搭配巨觀尺度的電性、結構等觀測結果。去呼應與驗證肉眼可見的物理現象,是如何對應到原子尺度的電子行為。

操作推動著尖端科技進展的儀器,莊天明描述自己在科學研發的這條路上,也歷程了大學時期對課堂裡反覆對公式和例題計算的迷惘,到開始接觸研究用自己的實驗器材看到原子的樣貌、量到波函數、親眼驗證了波粒二重性理論的感動。

或許,這就是激勵無數基礎科學研究者的迷人之處,承啟數百年來的知識累積,化為清幽一隅的獨步科技,煉成未至之境的領航明燈!

延伸閱讀:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

採訪編輯|廖英凱美術編輯|張語辰

本著作由研之有物製作,以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。


本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位


 

文章難易度
研之有物│中央研究院_96
295 篇文章 ・ 3391 位粉絲
研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

0

4
4

文字

分享

0
4
4
除了蚯蚓、地震魚和民間達人,那些常見的臺灣地震預測謠言
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/02/29 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

災害性大地震在臺灣留下無數淚水和難以抹滅的傷痕,921 大地震甚至直接奪走了 2,400 人的生命。既有這等末日級的災難記憶,又位處於板塊交界處的地震帶,「大地震!」三個字,總是能挑動臺灣人最脆弱又敏感的神經。

因此,當我們發現臺灣被各式各樣的地震傳說壟罩,像是地震魚、地震雲、蚯蚓警兆、下雨地震說,甚至民間地震預測達人,似乎也是合情合理的現象?

今日,我們就要來破解這些常見的地震預測謠言。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

漁民捕獲罕見的深海皇帶魚,恐有大地震?

說到在坊間訛傳的地震謠言,許多人第一個想到的,可能是盛行於日本、臺灣的「地震魚」傳說。

在亞熱帶海域中,漁民將「皇帶魚」暱稱為地震魚,由於皇帶魚身型較為扁平,生活於深海中,魚形特殊且捕獲量稀少,因此流傳著,是因為海底的地形改變,才驚擾了棲息在深海的皇帶魚,並因此游上淺水讓人們得以看見。

皇帶魚。圖/wikimedia

因此,民間盛傳,若漁民捕撈到這種極為稀罕的深海魚類,就是大型地震即將發生的警兆。

然而,日本科學家認真蒐集了目擊深海魚類的相關新聞和學術報告,他們想知道,這種看似異常的動物行為,究竟有沒有機會拿來當作災前的預警,抑或只是無稽之談?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

可惜的是,科學家認為,地震魚與地震並沒有明顯的關聯。當日本媒體報導捕撈深海魚的 10 天內,均沒有發生規模大於 6 的地震,規模 7 的地震前後,甚至完全沒有深海魚出現的紀錄!

所以,在科學家眼中,地震魚僅僅是一種流傳於民間的「迷信」(superstition)。

透過動物來推斷地震消息的風俗並不新穎,美國地質調查局(USGS)指出,早在西元前 373 年的古希臘,就有透過動物異常行為來猜測地震的紀錄!

人們普遍認為,比起遲鈍的人類,敏感的動物可以偵測到更多來自大自然的訊號,因此在大地震來臨前,會「舉家遷徙」逃離原本的棲息地。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

當臺灣 1999 年發生集集大地震前後,由於部分地區出現了大量蚯蚓,因此,臺灣也盛傳著「蚯蚓」是地震警訊的說法。

20101023 聯合報 B2 版 南投竹山竄出蚯蚓群爬滿路上。

新聞年年報的「蚯蚓」上街,真的是地震警訊嗎?

​當街道上出現一大群蚯蚓時,密密麻麻的畫面,不只讓人嚇一跳,也往往讓人感到困惑:為何牠們接連地湧向地表?難道,這真的是動物們在向我們預警天災嗎?動物們看似不尋常的行為,總是能引發人們的好奇與不安情緒。

如此怵目驚心的畫面,也經常成為新聞界的熱門素材,每年幾乎都會看到類似的標題:「蚯蚓大軍又出沒 網友憂:要地震了嗎」,甚至直接將蚯蚓與剛發生的地震連結起來,發布成快訊「昨突竄大量蚯蚓!台東今早地牛翻身…最大震度4級」,讓人留下蚯蚓預言成功的錯覺。

然而,這些蚯蚓大軍,真的與即將來臨的天災有直接關聯嗎?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

蚯蚓與地震有關的傳聞,被學者認為起源於 1999 年的 921 大地震後,在此前,臺灣少有流傳地震與蚯蚓之間的相關報導。

雖然曾有日本學者研究模擬出,與地震相關的電流有機會刺激蚯蚓離開洞穴,但在現實環境中,有太多因素都會影響蚯蚓的行為了,而造成蚯蚓大軍浮現地表的原因,往往都是氣象因素,像是溫度、濕度、日照時間、氣壓等等,都可能促使蚯蚓爬出地表。

大家不妨觀察看看,白日蚯蚓大軍的新聞,比較常出現在天氣剛轉涼的秋季。

因此,下次若再看到蚯蚓大軍湧現地表的現象,請先別慌張呀!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

事實上,除了地震魚和蚯蚓外,鳥類、老鼠、黃鼠狼、蛇、蜈蚣、昆蟲、貓咪到我們最熟悉的小狗,都曾經被流傳為地震預測的動物專家。

但可惜的是,會影響動物行為的因素實在是太多了,科學家仍然沒有找到動物異常行為和地震之間的關聯或機制。

遍地開花的地震預測粉專和社團

這座每天發生超過 100 次地震的小島上,擁有破萬成員的地震討論臉書社團、隨處可見的地震預測粉專或 IG 帳號,似乎並不奇怪。

國內有許多「憂國憂民」的神通大師,這些號稱能夠預測地震的奇妙人士,有些人會用身體感應,有人熱愛分析雲層畫面,有的人甚至號稱自行建製科學儀器,購買到比氣象署更精密的機械,偵測到更準確的地震。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

然而,若認真想一想就會發現,臺灣地震頻率極高,約 2 天多就會發生 1 次規模 4.0 至 5.0 的地震, 2 星期多就可能出現一次規模 5.0 至 6.0 的地震,若是有心想要捏造地震預言,真的不難。 

在學界,一個真正的地震預測必須包含地震三要素:明確的時間、 地點和規模,預測結果也必須來自學界認可的觀測資料。然而這些坊間貼文的預測資訊不僅空泛,也並未交代統計數據或訊號來源。

作為閱聽者,看到如此毫無科學根據的預測言論,請先冷靜下來,不要留言也不要分享,不妨先上網搜尋相關資料和事實查核。切勿輕信,更不要隨意散播,以免造成社會大眾的不安。

此外,大家也千萬不要隨意發表地震預測、觀測的資訊,若號稱有科學根據或使用相關資料,不僅違反氣象法,也有違反社會秩序之相關法令之虞唷!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

​地震預測行不行?還差得遠呢!

由於地底的環境太過複雜未知,即使科學家們已經致力於研究地震前兆和地震之間的關聯,目前地球科學界,仍然無法發展出成熟的地震預測技術。

與其奢望能提前 3 天知道地震的預告,不如日常就做好各種地震災害的防範,購買符合防震規範的家宅、固定好家具,做好防震防災演練。在國家級警報響起來時,熟練地執行避震保命三步驟「趴下、掩護、穩住」,才是身為臺灣人最關鍵的保命之策。

延伸閱讀

文章難易度

討論功能關閉中。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
196 篇文章 ・ 302 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

0

3
2

文字

分享

0
3
2
【2023 諾貝爾物理獎】什麼是「阿秒脈衝雷射」?能捕捉到電子運動的脈衝雷射?
PanSci_96
・2023/11/28 ・5966字 ・閱讀時間約 12 分鐘

林俊傑《江南》:「相信愛一天,抵過永遠,在這一剎那凍結了時間」

這一剎那持續了多久?這出自佛經的時間單位有多個解讀,其中最短,可以對應的國際單位制是阿秒。 1 阿秒又有多快呢? 1 阿秒等於一百萬兆分之一秒,是已經短到不行的飛秒的千分之一。在這段時間,別說是談戀愛了,連世界上行動最快的光,也只能移動一顆原子直徑的距離。

在阿秒的時間尺度裡,連光都得停下腳步,過去我們認為捉摸不定的電子,也終於將在我們眼前現身。 2023 年的諾貝爾物理學獎,正是頒給了三位帶領人類進入阿秒領域,探索全新世界的科學家。而這項技術,還可能讓電腦的運算速度加快一萬倍!

就讓我們一起來進入阿秒的領域吧,領域展開!

什麼是阿秒脈衝雷射?

今年諾貝爾物理學獎的三位得主分別是 Pierre Agostini 、 Ferenc Krausz 、和 Anne L’Huillier ,表彰他們對阿秒脈衝雷射實驗技術的貢獻。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
圖/X

所謂的阿秒脈衝雷射,指的是持續時間僅有數十到數百阿秒的雷射。當我們能使用脈衝雷射來觀察目標,就好比使用快門時間極短的相機對目標拍照,能捕捉到瞬間的畫面。

2018 年的諾貝爾物理學獎,就頒給了極短脈衝雷射的研究。短短 5 年後,雷射領域再次得獎,但這次是更快的阿秒雷射,能捕捉到電子運動的超快脈衝雷射。

世界上沒有東西能真正的觸碰彼此?看見電子能帶來什麼突破?

為什麼看見電子的運動那麼重要呢?我們複習一下原子的基本構造,在原子核之外,帶有微小負電荷的電子,被帶正電的原子核束縛住。量子力學告訴我們電子沒有確切的位置,而是以特定的機率分布在原子核周圍的不同地方,也就是所謂的電子雲。

圖/YouTube

雖然電子的體積比原子核小很多,但電子雲的範圍,卻占了原子體積的絕大部分。在物理或化學反應中,真正和其他原子產生交互作用的,幾乎都是這些外面的電子。在電影《奧本海默》中,當男女主角手心貼著手心,奧本海默這時卻說:「世界上沒有東西能真正的觸碰彼此,因為我們觸摸到的物體,都只是其中原子的電子雲和我們手上的電子雲產生的斥力。」

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
圖/screenrant

對了,這種話也只有奧本海默跟五條悟可以講,一般人請不要隨便亂牽別人的手。

除了和心儀的他牽手,不同的電子排列狀態也會直接影響物質的化學活性、材料的導電導熱等基本性質,各種化學和物理過程都和電子息息相關。從非常實際的層面來說,電子可以說是物質世界最重要的基本單位。所以不難想像,如果我們能看見電子,甚至獲得可以操縱個別電子排列與能量的技術,我們能真正成為材料的創世神,許多不可能都將化為可能,是相當重大的突破。

捕捉電子運動有多困難?

但要操縱電子可不是什麼簡單的事,不只是因為電子非常小,更重要的是他們動得非常快。具體來說,電子在原子周圍跳動的週期時間尺度大約是十的負十八次方秒,也就是一阿秒。一顆原子的大小約是十的負十次方公尺,速度等於距離除以週期,換算下來,電子雲差不多是以光速等級的速度在原子核周圍跳動。

圖/wikipedia

如果要捕捉到阿秒尺度的電子運動,就必須將實驗的時間解析度也提升到阿秒等級,否則就會像是用長曝光鏡頭拍攝亞運競速滑冰比賽一樣,只能拍到一團糊糊的影像,而沒辦法分出勝負。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

可是,在 1980 年代,脈衝雷射最快只能達到十的負十五次方左右,還只有飛秒等級。而且光靠當時的技術和材料優化,已經沒辦法再縮短脈衝時間了,因此這時候,就要從原理上重新打造一套方法了。

如何製造更快的脈衝?

首先,要製造更快的脈衝並不是用頻率更高的電磁波就好。你想,我們在拍照時,想要讓曝光時間更短,要改善的不是把室內光源從可見光改成頻率更高的紫外光,而是調快快門的開闔速度,讓光一段一段進入感光元件中,變成影片一幀一幀的畫面。而這一段一段進入像機的光訊號,就像是我們的脈衝。

不論是皮秒雷射、飛秒雷射還是阿秒雷射,一直以來在做的都是同一件事,在整體輸出功率不變的情況下,讓每一次脈衝的持續時間更短,同時單一次的功率也會更高。簡單來說,就是要從無數次的普通攻擊,變成每一次都是集氣後再攻擊。

但要怎麼為光集氣呢?光和其他波動一樣,可以和其他波動疊加。把不同頻率的光疊加在一起,波峰和波谷會抵消,波峰遇上波峰則會增強。只要用特定的比例組合許多不同頻率的光,就可以在整體總能量不變的情況下,產生一個超級窄的波峰,其他地方全部抵銷。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

1987 年,本次諾貝爾獎得主之一的 Anne L’Huillier 教授發現,當紅外線雷射穿過惰性氣體時,氣體會被激發放出整數倍頻的光。也就是氣體放出許多不同頻率的光,而這些頻率都是原本光源頻率的整數倍,從兩倍三倍到三十幾倍以上的高倍頻光都有。而橫跨這麼大頻率範圍的光,就能組合出時間長度很短的脈衝光。

不過這聽起來未免也太好康了,真的有那麼簡單嗎?

這個看似魔法的實驗背後其實有著相當簡潔的物理圖像。電子原本是被電磁力束縛在原子中,當一道強度夠強的雷射通過氣體原子,原本抓住電子的電位能被雷射削弱。

雖然這道牆只是矮了一些可是還是存在,但此時,在電子的大小尺度下,量子力學發揮了作用。調皮的電子有機會透過量子穿隧現象,穿過這道束縛,暫時逃離原子核的掌控。關於量子穿隧效應的介紹,我們近期也會再做一集節目來專門介紹。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

但電子還來不及逃遠,雷射光已經從波谷翻到波峰。電磁波的波谷與波峰,不是指能量的高和低,而是指方向相反。因此在相反的電磁場方向下,不幸的電子被推回原子核附近,再度被原子核捕獲。但在這欲擒故縱、七擒七縱的過程後,電子並非一無所獲,他所得到的動能會以光的形式重新放出。

而因為這些能量最早都來自雷射,因此電子放出的光波長,也剛好會是雷射的整數倍。再說的細一些,你可以理解為這些電子在吸收一顆顆光子後,一口氣釋放這些能量,所以能量都是一開始光子的整數倍。

在 1990 年代,科學家已經掌握了這個現象背後的原理。但一直到千禧年過後。這次諾貝爾獎得主之一 Pierre Agostini 教授和他的研究團隊才終於在適當的實驗條件之下,利用高倍頻光打造出了一連串寬度只有 250 阿秒的脈衝。同時第三位得主 Ferenc Krausz 也使用不同方法,分離出 650 阿秒的脈衝。

最後,獲得阿秒脈衝這個祕密武器之後,我們的世界將迎來哪些變化呢?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

阿秒脈衝在各領域的應用

其實啊,有在關注諾貝爾獎都知道,諾貝爾獎通常不會頒給時下正夯的新興研究,前面講的研究,實際上都已經是二十多年前的往事了,而這些辛苦的科學家會在這麼多年後拿下諾貝爾獎的榮耀,正是因為阿秒雷射的發明經過了時間的考驗,成為非常普及的實驗技術,而且被大家公認為重要的科學貢獻。

當然,今年生醫獎的 mRNA 是個超快例外,有興趣的話,別忘了點擊下方影片,看看編劇都編不出來的 mRNA 研究歷程。

說了那麼多,阿秒雷射究竟對人類生活有什麼幫助呢?當然,它能讓我們更深刻了解物質還有光的本質,但是除了幫電子拍下美美的照片放在期刊的封面上,阿秒雷射可以用來做什麼?

在過去這二十年,許多研究已經找到了相當有潛力的應用。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

舉例來說,在醫療方面,阿秒雷射可以用來分析血液或尿液樣本。控制良好的超短脈衝可以精準的刺激生物樣本中的各種有機分子,讓這些分子震動並放出紅外線訊號。如果使用的脈衝長度太長,分子釋放的訊號就很容易和原本施加刺激的雷射混在一起,造成量測的困難。唯有阿秒等級的超短脈衝能夠實現這樣的量測。

這些紅外線光譜就像是質譜儀一樣,能幫助我們快速分析血液中的蛋白質、脂質、核酸等重點物質的關鍵官能基狀態。並透過機器學習的方式整合,成為個人化的健康狀態報表,或是做為診斷的依據,將精準醫療提升到全新的層次。

圖/attoworld

不只如此,發送超短脈衝的技術也可能革新當今的電腦運算。電腦運作的方式就是利用電晶體這種微小的開關,不斷的開開關關去發送一跟零的訊號,所以開關電流的速度便決定了你的運算速度。以半導體為基礎的電晶體,工作頻率通常不超過上百 GHz ,在時間上也就是十的負十一次方秒。

自從阿秒雷射技術普及之後,就有科學家想到:既然雷射脈衝的速度更快,那不如就別用半導體了,改用光學脈衝來控制電流作為運算的媒介。這個概念叫做光學電晶體(Optical Transistor)。

今年初,亞利桑那大學的團隊便發展示了如何利用小於十的負十五次方秒的超短雷射脈衝,來開關電流並傳送一與零的位元,這個頻率比現有半導體電晶體快了一萬倍以上。這顯示了光學方法的操作頻率可以有多快,或許能讓我們突破訊號處理和運算上的速度瓶頸。

看完這些便可以理解,阿秒等級的超快雷射脈衝的確是相當近代的一個科學里程碑。就像是科學革命時望遠鏡和顯微鏡的發明,讓人們看見那些最遠和最小的事物,超快脈衝用最快的時間解析度,讓我們看到許多人類從未看過的景象。

阿秒脈衝雷射的出現,是科學上的一個里程碑,讓我們能用更高的時間解析度,讓我們看到許多過去從未看到的景象。最後也想問問大家,在雷射這一塊,你最期待有哪些應用,或者最希望我們接著來講哪個主題呢?

  1. 為什麼醫美、眼科手術那麼喜歡用飛秒、阿秒雷射,真的有比較好嗎?
  2. 使用雷射脈衝的光學電晶體真的有可能取代傳統電晶體嗎?
  3. 除了光學電晶體,最近很夯的矽光子技術,聽說裡面也有用到雷射,可以一起來介紹嗎?

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識!

參考資料

PanSci_96
1219 篇文章 ・ 2170 位粉絲
PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。

0

1
3

文字

分享

0
1
3
如果 LK-99 不是室溫超導體,有研究價值嗎?超導現象到底是什麼?
PanSci_96
・2023/08/13 ・5671字 ・閱讀時間約 11 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

室溫超導發現!人類將迎來科技革命!?我到底要買哪支股票?

韓國團隊發現全新超導體 LK-99,宣稱可以在 1 大氣壓,攝氏 127 度以下維持超導態,溫度甚至比水的沸點還高!

這則新聞想必你已經看到了,不只在科學界,在全世界都炸了鍋,因為這方法簡單到具有污辱性,甚至有人比喻,這就像是有人用某個比例的蘿蔔、香菜跟芋頭煮一煮火鍋就做出長生不老藥一樣誇張。難道我們引頸期盼的材料學聖杯就這樣降臨了嗎?

LK-99 到底是什麼?這個發現有多重要?

7 月 23 日,南韓團隊宣布合成出一種新材料 LK-99,這是一種把鉛磷灰石中的鉛部分替換成銅的材料。團隊說 LK-99 已經產生超導量子阱並表現出抗磁性,是史上第一塊常溫常壓下能維持超導的材料。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

如果這是真的,那可能會是本世紀中最偉大的發現之一。

為什麼這麼說呢?因為超導體有一個非常特別的性質——電阻為零。

這能不興奮嗎?要知道,當你掌握一個完美的零電阻材料,意味著用它做電線,能量在傳輸時就不會因為有電阻而消耗能量,如果我們的電力系統全部換成超導體,電力傳輸時就完全不會損耗能量,甚至不用設置高壓電系統。除此之外,零電阻、零能量損耗,也意味電流經過時不會發熱。

這兩點加起來,如果我們的高鐵、超級電腦、粒子加速器甚至核融合,等等需要大量電力的設備如果全部使用超導體作為電力載體,就可以突破過往的負載極限,省下龐大的冷卻設備建置費用和空間。除了讓科幻成真,也是解決全球暖化的奇兵。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

但話說回來,超導體為什麼能零電阻呢?

超導體為什麼會零電阻?

我們先回到第一個超導體被發現的時刻。19 世紀末、20 世紀初,當時氫氣、氦氣等在元素週期表靠前的氣體都還未能被人類成功液化,有兩位專攻低溫物理的科學家,詹姆斯.杜瓦和海克.卡末林.昂內斯,則在挑戰這項艱難任務。兩人當中的杜瓦率先液化了氧氣與氫氣,並開發了用來儲存低溫氣體的儲存罐,至今實驗室仍然會以發明者名字命名的杜瓦瓶來儲存液態氮。

左為常壓式液態氮儲存桶(杜瓦瓶),右為正壓式液態氮儲存桶。圖/wikimedia

另一位科學家昂內斯則造出了液態氦,溫度低達攝氏 -269 度,只比絕對零度高 4K。昂內斯接著開始利用液態氦冷卻其他金屬,想觀察金屬在低溫時的特性。當時的科學家對於電阻有幾種不同的猜測,隨著溫度線性降低、停在某個極限,或是隨著溫度降低重新上升。

科學家對於電阻在低溫時的特性有不同的猜測,紅色為電阻隨著溫度線性降低,黃色是指電阻會停在某個極限,藍色則表示電阻隨著溫度降低重新上升。圖/清華大學物理系

但出乎意料的是,1911 年,當昂內斯在量測汞,也就是水銀的電特性時。溫度向下探到 4.2K 時,電阻突然雪崩式下降,突然就變成零了,第一個超導體被發現了。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
水銀在溫度向下探到 4.2K 時,電阻會降至零。圖/hyperphysics

超導體研究的大門至此被打開,許多超導材料陸續被發現,但直到昂內斯發現第一個超導體的 46 年後,也就是 1957 前,才有了能解釋超導現象發生的理論。理論提出者是約翰.巴丁、利昂.庫珀和約翰.施里弗三位科學家,並以三人的字首,將理論命名為 BCS 理論。BCS 理論認為,在低溫下,電子在晶格中的移動方式會產生改變。

首先,電子會兩兩成對,形成庫柏對 (Cooper pair)。接著,分散在材料中的大量庫柏對,則會形成一大團的凝聚。此時的電子就如同堅固的方陣,在材料中暢行無阻,要阻擋一顆電子,就等於要跟所有電子做對。也就是如果沒有足夠強的能量,例如高溫、高電流或高磁場一口氣拆散這團凝聚,電子在材料中的電阻就是零。

電子會兩兩成對,形成庫柏對 (Cooper pair)。接著,分散在材料中的大量庫柏對,會形成一大團的凝聚。圖/PanSci YouTube

當然,實際內部發生的事情沒那麼簡單,為什麼原本應該同性相斥的電子會手拉手成為方陣?這就與量子力學有關。電子會因為與晶格中的聲子作用形成庫柏對。所謂聲子,就是在材料晶格震盪中誕生的粒子,用以傳遞聲能、熱能。當電子與聲子作用形成庫柏對,會從原本與中子、質子類似的費米子,變成性質與光子、聲子相似的玻色子。

恩,這邊真的有點難懂,這牽涉到量子力學中粒子的自旋性。如果大家有興趣,可以留言告訴我們,我們有機會再來深入介紹這些燒腦的量子力學。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

總之,原本會互相排斥的電子形成了手牽手的庫柏對凝聚,並且在移動時不會與晶格產生能量交換,也就是不會產生電阻,可以在超導體中自由穿梭。

而且超導體除了零電阻之外,還有另外一個有趣的特性,就是能真正做到磁懸浮,這又是怎麼一回事?

為什麼超導體會飄?——超導體的磁懸浮

超導體的零電阻現象,最早在 1911 年昂內斯就發現了。但直到 1933 年,科學家邁斯納才發現,在超導溫度以下的超導體,就算在外加磁場中,內部也完全不會有磁力線穿透。甚至如果材料在常溫時先放進磁場中,讓磁力線通過材料,逐漸冷卻溫度到低於臨界溫度的時候,磁力線竟然也會被自動排除。這個現象稱為邁斯納效應,背後的原因,是因為一個零電阻的完美導體,可以在磁力線通過時產生感應電流,製造相同大小、方向相反的磁力線「抵銷」這些外部磁場,阻止表面磁通量的改變。因此,我們通常會稱超導體是一個完美的抗磁性材料,可以在磁場中產生斥力。

邁斯納效應,當溫度小於臨界溫度 (Tc) 時,材料內部磁場被抵銷。圖/wikimedia

等等,但你有沒有想過,一個完美的抗磁性材料,雖然可以漂浮,但在許多的超導體展示影片中,超導體都能在軌道上滑行,甚至當它懸浮在軌道下方時也不會墜落,感覺好像哪裡怪怪的吧?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

例如有種具備反磁性但不是超導的熱解碳,雖然可以漂浮在磁鐵上,但是會在磁鐵上方滑來滑去,無法被固定。沒錯,看到材料漂浮在磁鐵上,不見得就是超導體。

其實邁斯納效應只能解釋一部份的超導體——也就是第一類超導體的抗磁性。在高溫超導體和其他第二類超導體中,還有一個重要的關鍵:磁通量鎖定 (Flux pinning)。

第二類超導體雖然也會在溫度低於臨界溫度時進入超導態和產生邁斯納效應,將磁力線隔絕在外。但是當外加磁場存在的時候,磁力線會穿過某些通道,並且開出一個又一個的小洞,並以漩渦的形式在通道中產生「磁通渦旋」。這些渦漩是超導態被破壞的區域。但特別的是,這些小洞會牢牢抓著從中穿過的磁力線,所以當超導體懸在磁鐵側邊或下方時,仍然會被牢牢抓住。

超導體產生磁通渦旋時的磁力線分布。圖/wikimedia

講到這邊,我們已經知道超導體特別在哪裡了,那我們離將超導體實際應用還有多遠呢?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

超導體容易被應用嗎?為什麼很少聽到超導體產品?

在韓國超導體的消息公開之前,一直以來就有各路研究者發現在高壓下可以進入超導的材料,但這些需要高壓的材料,是難以被應用在產品中的,甚至其中的大部分都難以在其他實驗室中被還原。目前在常壓下能達到最高溫的超導體材料是汞鋇鈣銅氧化物,臨界溫度最高大約是 135K,也就是攝氏零下 138 度。雖然離室溫還很遠,但至少靠液態氮就能到達超導態。

而且事實上,要看到生活周遭的電器全部被超導體替代,真的還有一段距離。因為,除了需要臨界溫度 (Tc) 外,超導體還有兩個重要的指標:臨界電流密度 (Jc) 和臨界磁場 (Hc)。仔細想想也很合理,就算材料能允許磁力線和電子通過,也不代表能無上限的開放這些通道。因此當材料被施加過強的磁場,或是通以過強的電流,超導態就會被破壞,回到正常狀態。

雖然常見的釔鋇銅氧、鉍鍶鈣銅氧等高溫超導,已經能做到每平方公分耐受 1 萬安培以上的電流,但目前這一小塊 LK-99 能承受的臨界電流,大約只有數百毫安培。所以就算高溫超導能在實驗室中製作出來,離全面更換電網、應用在核融合等科技還有段距離。為了承受大電流,不是要找到更好的材料,就是需要製作截面積巨大的導線,不論哪一個,成本和技術都還是非常高昂。當然,我們也很期待幾年內就有人成功商業化並跳出來打臉我,我肯定會痛苦卻快樂地接受。

LK-99 能承受的臨界電流,大約只有數百毫安培。圖/PanSci YouTube

但話說回來,這次研究大家最關注的就是臨界溫度突破這一點了。很多人懷疑,至今超導材料的極限是 -138℃,一下子跳到 127℃,顯然不合常理。這就必須說說,關於「高溫超導」的物理機制我們了解多少了?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

咦?我們不是前面都講完了嗎?不,雖然我們前面提了 BCS 理論,看似我們對超導體已經有完整認知,可惜的是,BCS 理論涉及庫柏對與聲子的交互作用。而根據用來研究固體材料中聲子行為的德拜模型推估,BCS 理論只能用於解釋凱氏溫標 30K 以下時,材料中能形成庫柏對的原因。

那 30K 也就是 -243℃ 以上的高溫超導體呢?雖然我們知道超導現象必然與庫柏對的形成有關,也有許多論文提出不同的模型與看法,但可怕的是,從 1986 年開始發展銅氧化合物陶瓷高溫超導,第一次突破了液態氫的 40K「溫度壁壘」,至今 40 年過去了,我們還未能完全了解這些超導材料背後的物理機制。

許多年來高溫超導的研究確實是邊摸索著邊前進,藉由替換材料中的特定元素,改變晶格結構,並測量新材料的特性,試著了解其物理機制並繼續改良。例如這次韓國團隊的 LK-99,就是一種把鉛磷灰石中的鉛部分替換成銅的材料,希望通過晶格的壓縮,讓材料間能形成庫柏對。

那麼這次韓國的研究,會成為跨時代的里程碑嗎?

韓國超導體研究有什麼重要意義?

這次超導新聞一爆發,幾乎撼動了整個世界,各國專家甚至鄉民們紛紛投入實驗,想複製出一模一樣的東西。我們這些吃瓜群眾,也理所當然關心這項科技會不會引發下一次科技革命,或忙著找概念股準備投資。結果很快的,發表在 arXiv 上地論文也引起不小風波。首先,arXiv 上的論文不須經過審查,再來,隔沒幾天就爆出此文章連續兩天發布,作者名單卻不同等等的爭議。

另一方面,也有許多實驗室宣布投入研究,嘗試復刻出一樣的結果。不論是實驗復刻結果或是學術倫理的爭議,目前我們確實也只能等待其他實驗室的回饋。什麼?你說實驗很簡單,要有實驗精神,幹嘛不自己動手試看看?

LK99 還具有研究意義嗎?

但話說回來,就算這次結果出爐,LK99 不是完美的超導體,只是個具備抗磁性的材料,我們也不需要直接將此研究視為敝屣。因為只要它仍存在部分反磁性或或是特殊的電阻特徵,對於材料科學研究上就一定還是有所貢獻的。

最早,我們認為世界上的物質分為氣、液、固三態,隨著科學進步,我們逐漸發現物質在特定條件下可以出現許多有趣的特性,每次的新發現都帶來新科技革新與生活便利,例如大氣和燈管中的電漿態、主宰數十年螢幕科技的液晶態、在化學工業、半導體產業發光發熱的超流體、還有我們這集提到的超導體、凝聚態等等。

物質狀態相圖。圖/Wikimedia

在微觀尺度下,許多材料的特性我們都還未完全了解,而這方面正是我們最需要的。例如當今的半導體產業,電晶體的尺寸在物理尺度上已趨近極限,當電晶體縮到只有幾層原子甚至單層原子後,過去在塊材中沒見過的物理特性就會一個一個冒出來。

而高溫超導體中觀察到的庫柏對、玻色子、費米子之間的交互作用,更是量子力學中的重要研究對象。

最後,即使超導體無法立刻普及在生活,高溫超導體也被視為量子電腦的救星之一。目前量子電腦的候選材料有很多種,半導體、離子阱、超導體等等。但不論哪種方法,幾乎都要求極低溫。因為只要溫度一高,晶格一擾動,量子位元就會被破壞。

如果超導體可以在更高溫中運作,或至少,藉由這個研究學到的凝態物理能幫助我們開發更好的材料,都能讓我們在量子電腦科技中向前推進一大步。

這次的爆炸新聞,是成是敗還需要持續來觀察,如果有什麼後續的消息,我們也會持續關注。我們由衷希望它真的能成為超導體科技發展的一盞明燈——一盞電阻為零的明燈。

你覺得呢?你覺得這次的 LK-99 會掀起科學革命嗎?

  1. 會,不論結果如何,新的研究領域密室已經被撬開了
  2. 實驗太粗糙了,我先多打幾個問號
  3. 通用AI、核融合商轉越來越近,現在又加上室溫常壓超導,這這這,外星人應該快發出警告了吧?

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識!

PanSci_96
1219 篇文章 ・ 2170 位粉絲
PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。