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相對論流體動力學也出現在量子元件上!台師大研究揭開石墨烯材料之謎

PanSci_96
・2019/03/20 ・2087字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 593 ・九年級

國立臺灣師範大學光電工程研究所助理教授楊承山與美國加州大學柏克萊分校(UCBerkeley)物理系合作,發現並成功解釋超潔淨石墨烯中的量子臨界相對論電漿現象,並刊登於最新一期的全球最權威學術期刊《科學》(Science),解開十幾年來於二維材料科學中無法解釋的謎題。

揭示石墨烯存在於典型電子系統中觀察不到的相對論現象,對未來在超快量子元件的發展,佔有非常舉足輕重的角色。而微小化的兆赫波系統設計,更可望使兆赫波技術於高速無線通訊、儀器與檢測、新穎材料及國土安檢系統廣泛應用,進而改變人類生活。

石墨烯是甚麼?

石墨烯(Graphene)是由炭原子以 sp2混成軌域組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,厚度只有一個碳原子,是目前已知最堅硬的奈米材料。近年來石墨烯的出現在科學界激起了巨大波瀾,引發了研究熱潮。經過十多年研究,科學家發現,石墨烯是電阻率最小、導電性最佳,已知強度最高的物質,其透光性、導熱性、韌性非常好。可應用於透明觸控螢幕或太陽能電池。

科學家還發現,石墨烯可產生兆赫(terahertz, THz)範圍的輻射—將紅外線照射到石墨烯薄膜上,只需很短時間就能放射出兆赫的光源,進而開發出能在室溫條件下工作的高性能兆赫波雷射器。

石墨烯。圖/wikimedia

兆赫波的廣泛應用

兆赫波是指輻射頻率介於 0.1 THz 到 10 THz,波長範圍介於微波與紅外線之間的電磁波。由於其可應用在各式安檢設備,如海關、警局、醫院等,用來檢測X光偵測不到的塑膠炸彈、陶瓷武器及生物藥劑等危險物品;在醫學方面的應用,由於兆赫波的光子能量較低,影響人體的輻射能量遠低於X光,非常安全,甚至可在做生醫檢測時,更精準地知道手術成功機率;

在通訊方面,未來進入 5G 時代,兆赫波比目前使用的微波傳輸頻寬更廣,與光纖通訊網路結合,將能突破傳遞的距離限制,提供更快的網路服務,甚至比 Wi-Fi 標準快上數百倍速度。

兆赫波的輻射頻率範圍。圖/Wiki commons by Tatoute, CC BY-SA 3.0

綜合以上所述,兆赫波被全世界列為十大重要技術之一。過去科學家不知道如何穩定的產生兆赫波光源,直到 30 年前發明超快雷射後,可使用它所發射的飛秒脈衝產生兆赫波,才漸漸開始發展,並進行全面之科學研究,屬於未來光電科技的新興領域。

兆赫波微小晶片(On-chip)波導光譜系統。圖/國立台灣師範大學新聞稿

石墨烯應具有相對論現象!

臺灣師大光電所楊承山助理教授、美國加州大學柏克萊分校物理系王楓教授以及其博士後研究員 Patrick Gallagher 等人所組成的跨國研究團隊,費時近兩年時間完成這項突破性成果,整個實驗品大小約 3 平方公分。

團隊預期接近電中性的石墨烯應該像量子臨界相對論性電漿態「狄拉克流體」一樣,這是一種由相對論流體動力學描述的電子和電洞的量子臨界電漿體。團隊使用兆赫波微小晶片 (On-chip) 波導光譜系統,測量石墨烯中電子溫度介於 77 K和室溫 (300 K) 之間的量子臨界相對論電漿現象。其中包括發現狄拉克流體 (Dirac Fluid) 的臨界散射率特徵;以及發現其在較高摻雜濃度時,發現了同時具有零和非零總動量這兩種截然不同的載流模式,其為相對論流體動力學的一種重要表現形式。

這項研究工作揭示了材料的量子臨界性,其中每個部份處於有序和無序的量子疊加(類似於薛丁格的貓,在死和活著的量子態中疊加),以及石墨烯中電荷中性附近的異常動態激發。Landau 的費米液態(Fermiliquid)理論將典型金屬的電子相互作用定義為一種無交互作用準粒子的理想氣體。

然而,在石墨烯中,由於其線性能帶結構和強烈地庫侖交互作用,該理論並不適用。在輕度摻雜的情況下,研究團隊發現電流可以通過兩種不同的零和非零總動量模式來承載。隨著摻雜濃度的增加,零動量模式的行為會減少,而有限動量模式則會增加,進而形成從狄拉克流體到費米液體行為的過渡現象。

而在實際的實驗進行方式上,兆赫波時域光譜可在相當寬頻之範圍觀察量子臨界導電率,非常適合用於觀察該現象。然而,由於兆赫波繞射極限的關係,傳統的兆赫光譜儀僅能用於量測缺陷較多,動量較低的大面積石墨烯薄膜,進而觀測不到狄拉克流體的特性。

在此工作中,跨國研究團隊利用兆赫波微小晶片波導光譜系統,測量石墨烯中電子溫度介於 77K 和室溫 (300K) 之間的量子臨界相對論電漿現象,以確認電荷中性附近的量子臨界散射率。為了改變材料環境的溫度,研究團隊調整了激發光和兆赫探測脈衝之間的時間延遲,通過觀察兆赫波傳輸的穿透率變化來描述電荷中性下之載子運輸。

透過這種方式,此跨國研究團隊證明了狄拉克流體在石墨烯的實驗結果與相對論流體動力學理論之間的定量一致性,意味著石墨烯應具有相對論現象,這在典型的電子系統中是看不到的,相對論流體動力學在典型的電子系統並不適用。

  • 本研究成果已於108年2月28日刊登於國際期刊《科學》(Science),文章標題為:Quantum-critical conductivity of the Dirac fluid in graphene
  • 本文部分改寫自國立臺灣師範大學新聞稿,原標題為〈光電所楊承山跨國團隊研究 榮登國際頂尖期刊《Science》發現石墨烯中的量子臨界相對論電漿現象可望使超快量子元件 兆赫波技術廣泛應用 改變人類生活〉

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PanSci_96
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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。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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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》