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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

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

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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物聯網世代資安保護的熱門選擇——新型「加密金鑰」PUF 技術
科技大觀園_96
・2022/02/06 ・1831字 ・閱讀時間約 3 分鐘

隨著萬物聯網時代到來,越來越多數據以數位化方式儲存共享,架構安全性也越來越受到重視。就在今年 5 月,美國賓州大學研究團隊開發出一種基於石墨烯的 PUF(Physically Unclonable Function),能夠有效防範利用 AI 模型的新型攻擊,使加密金鑰更難以被破解。

石墨烯是一種由碳原子以 sp2 混成軌域組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一個碳原子厚度的二維材料。圖/pixabay

什麼是 PUF?

要解釋什麼是 PUF,就得先理解物聯網(Internet of Things , IoT)的概念。簡單來說,物聯網就是讓設備裝上感測器、軟體及技術來相互連接傳輸資料所形成的網路,是很多產業智慧化的基礎,然而很容易就可以想像這種便利性同時也帶來更高的資安風險,由於物聯網設備涵蓋的領域相當廣泛,駭客從許多層面都可以發動攻擊。

物聯網是讓設備相互連接傳輸資料所形成的網路。圖/pixabay

過去談到物聯網的資訊安全,許多人都會先想到軟體及網路加密連線,但其實除了網路層面的安全防護,實體設備同樣存在著威脅。一旦出現仿冒晶片或其他問題,駭客就可能透過網路遠端控制設備獲得金鑰和其他敏感資訊,進而造成企業損失。以軟體為主的資安設計已不再足以提供全面保障,這也是為什麼基於硬體的安全技術開始逐年受到青睞。

全名為「物理不可仿製功能」 的 PUF 就是這樣一種硬體安全技術。透過半導體製程中引入的隨機變數,讓晶片在微觀結構上產生些許差異,在變數無法預測及控制的情況下,複製該晶片成為幾乎不可能的事,減少遭人逆向工程或操作的擔憂。這樣的隨機性、唯一性及不可複製性,讓 PUF 彷彿成為一種「晶片指紋」的存在,因此自然也變成新世代資安「零信任」(Zero Trust)架構下的熱門選擇。

不同於傳統資訊加密技術將密鑰儲存在設備的方式,PUF 技術主要使用一個客製應用積體電路(Application Specific Integrated Circuit , ASIC)或現場可程式閘陣列(Field Programmable Gate Array , FPGA)就可以完成,透過製造時挑戰/反應數據庫(Challenge/Response)的建立,便能在無須加密認證演算法的情況下對設備進行驗證,防止身分被竊取、竄改的同時,也免除了將私鑰儲存在設備的額外成本以及金鑰遺失的風險。

自 2013 年開始,PUF 已經開始逐漸受到重視,只是就像所有的密碼學應用一樣,儘管 PUF 技術存在著這些驚人特性,駭客攻擊手法也仍在持續演化中。國外一些研究已經證明,透過機器學習,AI 技術還是可能預測出密鑰並獲取數據,因此針對 PUF 技術的改良研發也仍在持續進步中。

以賓州大學團隊 5 月公布在《 Nature Electronics 》的最新研究為例,工程科學與力學助理教授 Saptarshi Das 就進一步結合了石墨烯(Graphene)的諸多特性,開發出一種新型低功耗、可擴展及可重構的 PUF,在面對 AI 攻擊時也能保持顯著彈性不易被入侵。

據研究人員表示,透過石墨烯獨特的物理和電學性質,新型 PUF 更加節能、可延展,即使受到 AI 攻擊試圖預測金鑰,受損的系統也可以在不需要額外硬體或更換元件的情況下重新配置過程並生成新密鑰,藉此有效抵抗對傳統矽製 PUF 構成威脅的 AI 攻擊。

隨著物聯網走入各大產業、設備數量大規模增長,可想見更嚴峻的資安挑戰也即將到來。目前國內廠商及研究團隊許多針對 PUF 的努力正在進行,除了矽智財知名大廠力旺開發的 NeoPUF 技術,成功大學電機系張順志教授進行的研究也是其中之一。

在「具高安全性且低耗能之物聯網晶片電路及系統之分析、設計及實作」整合型計劃中,張教授希望透過超低功耗之類比數位轉換器設計技術及內建物理密鑰技術、 AI 輔助訊號轉換電路設計技術的研發,來提升物聯網晶片的安全性與穩定性。據了解,該項目已經進入後期階段,將基於先前的經驗嘗試完成整個物聯網系統的實體整合與量測驗證。

資料來源

  1. 初探物聯網安全趨勢下PUF晶片安全發展機會|跨域資安強化產業推動計畫網站 ACW
  2. 具高安全性且低耗能之物聯網晶片電路及系統之分析、設計及實作-子計畫三:應用於高安全性且低耗能物聯網系統的類比至數位轉換器之研製( I )
  3. Stabilization in Physically Unclonable Constants
  4. Graphene key for novel hardware security | Penn State University

科技大觀園_96
82 篇文章 ・ 1109 位粉絲
為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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跳脫百年框架引領量子黑科技──台灣研究團隊雕塑石墨烯嶄新電子結構
活躍星系核_96
・2021/03/31 ・1511字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 623 ・十年級

人類能否藉由人造方式調整物質材料的原子間距離與排列,並進而賦予它全新的物理特性呢?在科技部計畫的長期支持下,成功大學物理系暨前沿量子科技研究中心張景皓助理教授及陳則銘教授組成的研究團隊,成功開發出利用半導體產業常用的蝕刻技術來調控原子排列,將原本單純的石墨烯轉變為擁有奇異量子特性的嶄新電子元件,不僅有助於探索量子傳輸的基礎物理科學問題,未來將有機會應用在量子科技之中。卓越的研究成果於今 (2021) 年 2 月刊登於國際頂尖學術期刊《自然電子》(Nature Electronics)。

原子級莫爾紋:魔角石墨烯

近年來科學家透過類似積木的概念,將石墨烯以錯位扭角方式堆疊起來,藉此將石墨烯從零能隙半導體轉變成超導體、絕緣體,或將其變成像磁鐵般具有鐵磁性。這方法看似簡單,但因需將薄到僅有單原子層厚度的二維材料在特定精確角度扭角堆疊,其實際操作及未來產業應用都有著不小的難度與挑戰。

將石墨烯以錯位扭角方式堆疊起來,藉此將石墨烯從零能隙半導體轉變成超導體、絕緣體,或將其變成像磁鐵般具有鐵磁性。

研究團隊何昇晉博士(論文第一作者)與陳則銘教授試著另闢蹊徑,構想出利用半導體蝕刻技術來雕塑氮化硼基板表面,進行具有三維結構變化的堆疊,並與謝予強等團隊成員開發出能進行原子級尺度雕刻的新穎技術。有別於以往只是單純將二維材料一層一層疊上去。這個新技術能將二維材料的晶格結構(原子排列)依照被雕刻氮化硼人造超晶格基板的結構進行拉伸或扭曲變形,以此操控其對稱性破壞及電子運動等基本物理機制,進而改變物質材料之物理特性。

霍爾效應的新發現

研究團隊另一項重要發現,在於確立了兩種新型態霍爾效應的發現。過去一百多年來,科學界普遍認為磁場是霍爾效應生成的必要條件,研究團隊在具有人造晶格結構的石墨烯量子元件上,跳脫原有框架、推翻了此一論點,結合實驗及理論證實新的霍爾效應其存在完全不需任何磁場。其中帶領團隊進行理論模型建構及數值模擬的,是另一名論文第一作者同時亦是玉山青年學者的張景皓助理教授。此突破除了理解量子傳輸的基礎科學問題外,對日後應用於量子電子元件及晶片也有著莫大的幫助。

霍爾效應在 1879 年由霍爾博士發現:磁場會改變電場內的電荷運動及分布造成電位差,好比電子均勻在電路上往前移動,但路邊有人叫賣(磁場),電子會被吸引到靠邊,電子不均勻分布就產生電壓差。此效應已應用於許多 IC 及感應電路上。

科技部持續積極耕耘基礎科學研究,以作為台灣科技創新與發展的強力後盾。未來在量子科學技術研發上也投入資源規劃整合,秉持著世界頂尖的科技研發能力與人才培養,對於台灣量子科技發展建立良好的競爭力,並與全球科技研發完美接軌。

合影左起為國立成功大學物理學系謝予強同學、國立陽明交通大學電子物理系羅舜聰助理教授、國立成功大學物理學系陳則銘教授、科技部自然司羅夢凡司長、國立成功大學物理學系張景皓助理教授、國立成功大學物理學系黃柏慈博士
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活躍星系核_96
752 篇文章 ・ 99 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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來人,餵蠶吃碳!吃了奈米碳管和石墨烯吐出強韌的超級蠶絲
鄭國威 Portnoy_96
・2016/10/11 ・1769字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 496 ・六年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

蠶。圖/Harsha K R@flickr
蠶。圖/Harsha K R@flickr

(背景音樂:摩斯拉~摩斯拉~~)

養過蠶寶寶嗎?小時候因為上自然課,會到附近的柑仔店買蠶來養,然後到處去摘桑葉來餵牠們。不過說真的,我從沒真正搞懂為何要養,也不太認真照顧,現在回想起來實在有點殘忍,但依舊記得牠們一顆一顆色澤不同的繭,有白有黃有泛青。

話說養蠶取絲、織成絲綢一直是古代中國最獨門的技術之一,絲綢因為其獨特觸感跟光澤,曾經是國際貿易的主要物資,古代中國也曾嚴密管制技術外流,當然後來還是被其他國家山寨了,可即使如此,中國目前依舊是全球絲綢最大產地,2015 年生產了 17 萬公噸,是第二名印度的六倍[1]。

中國北京清華大學張瑩瑩副教授率領的團隊,近幾年一直在研究低維奈米碳材料的可控製備、性能調控與應用探索,特別是希望做出柔軟的電子器具、可以感測環境或是傳輸能源。因此她們便將目光轉向蠶絲,希望替這種受到人類廣泛研究跟應用的天然蛋白纖維找尋新的未來:讓本來就強韌的蠶絲變得更加強韌

張瑩瑩副教授,圖片取自中國清華大學化學系 http://www.chem.tsinghua.edu.cn/publish/chem/2142/2015/20150122211105423973151/20150122211105423973151_.html
張瑩瑩副教授,圖片取自中國清華大學化學系

過去研究人員為了要改變蠶絲試過許多方法,直接在絲上添加染劑、抗微生物劑、導電聚合物和奈米顆粒。張瑩瑩團隊過去曾經透過「高溫熱裂解」來使碳化絲綢具有「耐米石墨晶-微米級纖維-宏觀編織圖案」的分級結構,從而表現出柔性、高可拉伸性和高導電性的特點

不過,這次他們則嘗試直接讓蠶吃下「奈米碳管」和「石墨烯」,使牠們吐出「超級蠶絲」。

說到蠶絲的來源,是蠶將唾腺產生的絲蛋白溶液吐出成細絲,再把自己旋轉捆繞成繭,就在牠們準備羽化成蛾之前,人類將繭放進沸水中煮,並及時抽絲而成(當然蠶就都死了)。為了要得到「超級蠶絲」,張瑩瑩的研究團隊先調配 0.2% 的奈米碳管或石墨烯溶液,噴在桑葉上,接著就按著標準的程序養蠶取絲。如果是在已經紡絲的絲上加工,需要將奈米材料溶解在有毒的化學溶劑中,再施加於絲上,因此用餵食的方法是更簡單,對環境也更好的方式。

在高解像能電子顯微鏡(High-resolution transmission electron microscopy)的成像中,一般蠶絲纖維呈現非晶質石墨(amorphous graphite )結構(頂部),而含有單壁奈米碳管(中間)和石墨烯(底部)的蠶絲纖維具有更有序的結構。 圖/Nano Lett

與一般的絲比較起來,這種「碳增強絲」的韌性增為兩倍,並且可以在斷裂之前承受多以往 50% 以上的應力。團隊將絲纖維加熱至 1050℃ ,使其碳化,然後研究導電性和結構。由於納入奈米材料,這種蠶絲竟然能夠導電,而拉曼光譜和電子顯微鏡成像更顯示,碳增強絲纖維具有更有序的晶體結構。

雖然聽起來很棒,但還是有些問題。例如研究人員還不知道蠶到底是如何將奈米材料納入絲裡,到底納入的百分比是多少,又有多少經由排泄或代謝流失。研究團隊在絲線的橫截面中沒有看見碳材料,也許是因為奈米顆粒含量很低。不過想要回答這些問題,得靠生物學家來共同參與了。

中國上海東華大學的聚合物化學家沈青在 2014 年使用 30 奈米的多壁奈米碳管也做過了類似的實驗(Mater. Sci. Eng., C 2014, DOI:10.1016/j.msec.2013.09.041),他同樣發現絲纖維的強度跟韌性有所提升。不過張瑩瑩表示他們所使用,約 1 到 2 奈米寬的單壁奈米碳管更適合納入絲蛋白的晶體結構。同樣是中國上海東華大學,隸屬纖維材料改性國家重點實驗室的張耀鵬研究員也曾將二氧化鈦奈米顆粒餵給蠶,產生出能夠抗紫外線降解的超級絲。他表示張瑩瑩團隊研究出的碳強化絲將可能適合嵌入在智慧型紡織品中,作為傳感器和讀取神經訊號。

看起來餵給蠶各種奇妙的奈米材料,然後看會吐出什麼樣的絲正是顯學,你想到要餵蠶吃什麼了嗎?

編輯提醒:科學家叔叔阿姨有測試過,小朋友在家不要亂餵蠶吃東西喔!!!!

本文編譯自 Chemical and Engineering News 網站報導:Silkworms that eat carbon nanotubes and graphene spin tougher silk

原始論文:

  • Feeding Single-Walled Carbon Nanotubes or Graphene to Silkworms for Reinforced Silk Fibers, Nano Lett., 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b03597

參考資料:

  1. BBC 知識雜誌國際中文版 2016 年 10月號
  2. “丝绸之路”——从桑蚕丝绸到可穿戴智能设备,X-MOL,2016.08.08
鄭國威 Portnoy_96
247 篇文章 ・ 757 位粉絲
是那種小時候很喜歡看科學讀物,以為自己會成為科學家,但是長大之後因為數理太爛,所以早早放棄科學夢的無數人其中之一。怎知長大後竟然因為諸般因由而重拾科學,與夥伴共同創立泛科學。現為泛科知識公司的知識長。