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磁力的時代

著名理論物理學家加來道雄（Michio Kaku）曾在《2100 科技大未來》一書中提到：

不遠的未來將是「磁力的時代」。上世紀可以被視為「電力的時代」，從電子的發現以及量子力學的發展開始，人們意識到電子相當容易操縱，這也造就了收音機、電視、電腦、智慧型手機等各類電子產品的誕生。

但在不遠的將來，諸如「室溫超導體」的開發與普及很可能在硬體建設上帶來革命性的變化。超導體 （supercondunctor）意味著某些導體在極低溫（比如接近絕對零度，-273.15℃）下，電阻將消失，而沒有阻力也意味著沒有電力的損耗。傳統銅線中，電子的流動與管壁原子的摩擦力將造成能量的消耗；而超導銅線巧妙地規避了這個問題，因為在極低溫環境下，原子將凝滯不動，電子也就能相當「通暢」地行經管線，線路壽命和產電效率也就能大幅躍升。但要實現極低溫的環境並非易事，因而近年來科學家正在嘗試開發室溫環境下的超導體，這意味著超導線圈能在日常生活中普及。

且由於超導本身的抗磁性（diamagnetism），比磁浮列車更酷炫的「懸浮」類型交通工具將成為常態，且由於不再有電能、摩擦力的損耗，你可以想像未來一旦超導磁浮列車與軌道網絡成功開發，只要輕輕一推，便能將一輛列車從台北車站高效地駛向墾丁、甚至車程用不上一小時。

電生磁、磁生電？

學習過中學物理的都知道，電與磁之間的作用是密不可分的；目前為止，大部分電子產品也都與「電流磁效應」（即安培定律，Ampère’s law）或「電磁感應」（即法拉第電磁感應定律，Faraday’s law of electromagnetic induction）有著密切關聯。

比如搭乘捷運或者公車時，「悠遊卡」內部的線圈就運用了電磁感應的原理，產生的電流將資訊傳輸至讀卡機；「電風扇」的馬達則透過電流磁效應將電力轉為磁力、再轉為機械能帶動扇葉；「麥克風」運用的則是透過聲波振動磁場、藉由電磁感應產生電流、再透過電流磁效應傳遞到揚聲器。由此可知，工業革命與量子力學的發展將我們帶到了「電力的時代」，而磁力似乎一直是電力的副產物。

而電腦硬碟也是如此，磁碟由磁性材料組成，需要用到線圈產生磁場、改變磁性材料的磁場方向；而透過讀寫頭可以感測、改變磁性材料的磁極，從而達成資料的讀寫。和上一段例子稍微不一樣的點在於：硬碟、磁碟的原理和材料「本身的」磁性有關，而非純粹基於電與磁之間的作用。雖然硬碟透過磁場的改變而達到讀寫資料的目的，但這是相當耗能、耗時的；相比之下，電能對我們而言容易操控得多。如果我們能開發出一種僅僅用「電場」就能改變記憶本身的磁性，那麼，這將在資訊儲存的領域造成革命性的進展。這就進一步帶入這次的主題——「磁電效應」(magnetoelectric effect, ME)。

磁電效應的產生機制

不同於宏觀的電磁效應，「磁電效應」通常與物質本身的微觀結構有關。磁電效應的機制取決於晶體本身的對稱性 （symmetry），舉例來說，線性磁電效應的產生必須滿足時間反演對稱性 （time-reversal symmetry）被打破的條件。首先，時間反演對稱性聽起來有些奇妙，但它的概念相當直白：物體在順著時間流以及倒轉的畫面是相同且無法區辨的；數學上來說，代入 t → -t，如果得出的結果依然是一樣的就說明了系統是具有時間反演對稱性的。

電流的磁效應就是一個反例：設想一個電路迴圈，逆時針的電流產生出向上的磁場（右手定則）。現在讓我們「倒帶」這段影像：你會發現磁場先消失、電流再變成順時針環繞；然而，順時針的電流「理應」產生向下的磁場，但在倒帶的影像中並非如此——這便是時間反演對稱性的打破。

凝態物理中最常見的例子之一就是鐵磁體 （ferromagnet）：想像一塊純鐵，在施加磁場後，其內分子的磁矩方向會順著磁場方向排列一致，也就是被「磁化」；然而，如果將畫面倒轉，會發現磁矩方向回歸不規律、接著磁場消失，但在物理上，你無法透過「去磁化」而關閉磁場；反之，即使關閉了磁場、磁化也依舊不因此而消失。換言之，鐵磁體打破了時間反演對稱性。

而磁電效應的產生通常要求磁性同時打破時間反演對稱性與鏡像對稱性 (mirror symmetry)，也就是在鏡中世界的物理必須符合邏輯。在某些情況下（比如螺旋擺線形的指向），磁性會打破鏡像對稱性，造成了電極化（施加電場後，電介質內部的正負電荷會朝特定方向排列）。

這些看似尋常的對稱性往往是物理現象背後的推手，在數十年來場論的發展中，物理學家逐一發現：當我們從一些物理現象（比如電與磁）抽絲剝繭，會發現背後是繁複的數學方程式，而彼此之間蘊藏著不少「對稱性」聯繫著；從微觀以及數學的角度來說，正是因為某些對稱性的破缺，導致了一些物理現象的產生——磁電效應便是如此。

在統計力學與量子場論中，描述系統能量性質的哈密頓量（Hamiltonian）取決於格點（lattices），對於磁力而言，若我們改變了格點的形態，磁能也可能會降低，在這過程中，電極化便可能因此產生；而像這樣微觀層面上造成電與磁的「耦合」（coupling，通俗的說法就是交互作用），便是「磁電效應」的根源。

因此，我們可以這樣概括：

磁電效應的產生肇始於微觀尺度下的對稱性破缺，因此，磁電效應並非無所不在，通常僅出現於擁有特定對稱性的晶體。

舉例而言，三氧化二鉻（Cr₂O₃）就是最早一批被證實有磁電效應存在的晶體。

單分子磁體 — — 量子產業的結合

在近年來的研究中，單分子磁體（single-molecule magents，SMM）的發現掀起了不少科學家競相研究。顧名思義，單分子磁體指的是帶有特定「磁性」的「分子」；更精確的說，是指擁有「超順磁性」（superparamagnetism）的分子結構，意味著在特定溫度下，一些具有磁性的顆粒將不易受外界磁場影響，以至於磁化性質近似於順磁體。當然，並不是所有分子化合物都可以作為單分子磁體，一般來說，它們通常都是含有「金屬」原子的「有機化合物」，例如最早被發現的 [Mn₁₂O₁₂(OAc)₁₆(H₂O)₄]（簡稱Mn₁₂）。

由於單分子磁體扮演著類似於「奈米磁鐵」的角色，微小且具有磁性的特質，使它們可以被應用於磁鐵儲存體元件、或者量子位元 (qubits) ——相信不少人對於近年來相當熱門的「量子電腦」並不陌生，而作為這種電腦運算的基礎，單分子磁體本身的自旋性質以及磁存儲優勢，很可能改善現有的記憶容量，從而成為量子位元的候選者。

那麼，單分子磁體和磁電效應搭得上關聯嗎？筆者在 2023 年曾參與一項由美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室 （Los Alamos National Laboratory）資助的研究計畫，其中便包含了對於單分子磁體「磁電效應」的研究，研究指出某些單分子磁體（比如 [Fe₃O(O₂CPh)₆(py)₃]ClO₄.py，簡稱 Fe₃ 聚合物）在特定溫度條件下可以產生磁電效應，我們可以透過建造穿隧二極振蕩器（tunnel-diode oscillator，TDO）等方式來探測磁化率 (magnetic susceptibility)，從而偵測磁電效應。值得注意的是，這項實驗也指出一項優勢：我們將能透過改變電場來實現磁電效應，而非像傳統硬碟技術那樣透過磁場改變電場特性。

磁電效應的未來與展望

磁電效應在近年來逐漸掀起學術界的研究熱潮，同時也陸續獲得業界的矚目。其中一個最有可能實現的願景，便是磁存儲技術的改善，因為我們將不用藉由磁碟上面的磁性材料與磁場來控制資料的存儲與讀寫；相比之下，電場比磁場容易操控些，磁電效應提供了一個新方案，只需透過一些特殊磁性物質（比如具有特定對稱性的晶體）、便能藉由電場改變晶體特性（諸如磁矩等等）。而對於晶體的候選者，單分子磁體具有相當的潛力，因為這類型的晶體很有可能延伸到量子位元的建構，從而在記憶存儲與量子電腦的同步開發下，帶動未來量子產業的發展。

21 世紀，更多前沿的技術不斷開展，無論是室溫超導等凝態物理的研究、或者是磁電效應與量子產業的結合，都向人們宣示著磁力時代的來臨。

參考文獻

• 加來道雄（2019）。2100 科技大未來：從現在到 2100 年，科技將如何改變我們的生活。時報出版
• M. Lewkowitz, J. Adams, N. S. Sullivan, Ping Wang, M. Shatruk, V. Zapf, and Ali Sirusi Arvij. (2023). Direct observation of electric field-induced magnetism in a molecular magnet. DOI: 10.1038/s41598–023–29840–1
• G. Christou, D. Gatteschi, D. N. Hendrickson, and R. Sessoli. Single-Molecule Magnets. (2000). DOI: https://doi.org/10.1557/mrs2000.226

在瑞士有個 61 歲的男子，4 天前還被看到好端端的，眼下卻沒來由地在家裡掛了。目擊證人、已知疾病、就診紀錄，或是感染相關的線索，例如：升高的肛溫、皮膚的瘀點、退燒藥、止痛劑等，要什麼沒什麼。驗屍團隊推估男子死亡超過 24 小時，其他所知無多。^[1]

驗屍

就外觀而言，男子的屍體沒有任何病灶。驗屍團隊本來想照慣例，先做電腦斷層掃描（computed tomography），觀察內部概況後再解剖。無奈這天儀器故障，所以改照核磁共振造影（magnetic resonance imaging）。不過，塞翁失馬，焉知非福。雖然核磁共振的成本較高，費時冗長，但是影像更為細緻：神經放射科醫師指出腦部額葉與顳葉的扣帶皮質、邊緣葉，以及島葉皮質的左側，都有損傷。換句話說，可能是單純疱疹病毒腦炎（herpes simplex virus encephalitis）。^[1]

照完醫療影像，把屍體剖開來，有肉眼和顯微鏡都可見的肺炎（pneumonia）病變。腦部切片的組織學分析，以蘇木紫（hematoxylin）和伊紅（eosin）染劑上色，顯現出少量發炎的腦幹細胞與病變的海馬體神經元；透過免疫組織化學染色，則發現腦幹內有某些類型的 T 細胞和巨噬細胞，以及活化的小神經膠質細胞等多種免疫細胞。更重要的是，在海馬體中找到單純疱疹病毒（herpes simplex virus）HSV-1 與 HSV-2，證明了根據核磁共振影像所做的推測。^[1]

單純疱疹病毒

單純疱疹病毒經由接觸傳播，從皮膚或黏膜進入人體，感染神經末梢，並在神經節中進行複製。^[1]該病毒分為兩型：90% 的人口都得過，會造成口腔疱疹／唇疱疹的 HSV-1，偶爾也因口交衍生出性器疱疹；不過較不普遍的 HSV-2，通常才是後者的元兇。^{[1, 2]}另外，有些極罕見的 HSV-1 和 HSV-2 案例，是母親於生產時，傳染給嬰兒。^[2]

首次感染也許會發燒、頭疼、喉嚨痛、身體痠痛，或淋巴結腫大。這些症狀若難以承受，可以透過藥物緩解；但是單純疱疹病毒一旦定居神經細胞，只會一下活躍，一下沉寂，終身無法根除。生病、發燒、月經、創傷、手術、陽光曝曬與心理壓力等，都可能引起復發。好在之後的發作通常為期較短，病況也不如第一次那麼嚴重。^[2]

單純疱疹病毒腦炎

儘管單純疱疹病毒只會給一般人帶來暫時的不適；遇上免疫力差的人，發作就更加嚴重且頻繁，甚至有致命的風險。^{[1, 2]}HSV-1 感染可能併發腦炎（encephalitis）和角膜炎（keratitis）；^[2]HSV-2 則會導致腦膜腦炎（meningoencephalitis）與擴散至多處的瀰漫性感染（disseminated infection）。^{[2, 3]}

單純疱疹病毒腦炎的成人發病率高，每年約有 1/250,000–1/500,000；而且就算即時診斷，並經靜脈施予抗病毒藥物 acyclovir，仍有 20% 到 30% 的死亡率。^[4]其診斷方式為執行腰椎穿刺（lumbar puncture），抽取腦脊髓液來檢驗有無病毒；以及做腦部核磁共振，主要看額葉與顳葉是否病變，僅有少數病例會擴及腦幹。病毒影響腦部，展現出來就成了頭疼、癲癇、發燒、失語、個性改變或精神錯亂。^[1]

問題是這名男子生前大概缺乏明顯症狀，所以未曾就診。難怪 2023 年在《國際鑑識科學：報告》（Forensic Science International: Reports）期刊介紹此案的論文作者，只差沒抱怨如此隱蔽的疾患，要叫人怎麼猜。他們最後表示男子死於肺炎，卻通篇討論他罹患的單純疱疹病毒腦炎，並且強調多數鑑識單位頂多幫屍體照電腦斷層掃描，不太容易發現這種腦部感染，所幸他們的電腦斷層掃描儀壞掉，仰賴核磁共振才做出正確診斷。^[1]

參考資料

1. Genet P, Merkler D, Zerlauth JB, et al. (2023) ‘Incidental discovery of herpes simplex virus encephalitis by post-mortem MRI’. Forensic Science International: Reports, 7, 100310.
2. ‘Herpes simplex virus’. (05 APR 2023) World Health Organization.
3. Yetmar ZA, Khodadadi RB, Chesdachai S, et al. (2023) ‘Mortality After Nocardiosis: Risk Factors and Evaluation of Disseminated Infection’. Open Forum Infectious Diseases, 10(8):ofad409.
4. AK AK, Mendez MD. (31 JAN 2023) ‘Herpes Simplex Encephalitis’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.

• 作者／照護線上編輯部
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「那是一位 13 歲的國中女生，來就診的時候身高只有 134 公分，體重 27 公斤，非常瘦小，第二性徵也沒有發育^[1]。」新竹市立馬偕兒童醫院兒童內分泌科主任林昭旭醫師分享，「進一步檢查發現她是生長激素缺乏症，骨齡是 10 歲 6 個月，且性荷爾蒙也沒有分泌^[2]。」經過半年的追蹤，她依然沒有長高，於是開始遵照專業醫師的指示並適當使用藥物後，順利達到理想的身高。

很多因素會對成年身高造成影響，包括營養狀態、性早熟、生長激素缺乏^[3]等。林醫師說明，一般而言，男生大概是 9 到 14 歲、女生大概是 8 到 13 歲會發育第二性徵^[4]，如：男生的睪丸、陰莖會變大，女生的初經來潮、胸部會變大^[5]。在發育過程中，通常身高會快速成長，直到骨骼生長板完全癒合，達到成年身高。

隨著整體營養狀況改善，現在小孩的發育時間會比過去提前。林昭旭醫師指出，「很多家長可能還停留在過去的觀念，認為女生會長高到 16、17 歲，男生會長高到 18 歲，不過現在的兒童可能提早發育，也會提早結束^[6]。」

身高過於矮小，可能對孩子的心理、社交造成負面影響。在兒童成長過程中，照顧者要定期紀錄生長曲線，才能提早發現身高矮小的狀況，把握治療時機。林昭旭醫師解釋，目前對於身高矮小的定義有兩個，第一個是長得很矮，身高落在兒童生長曲線圖中第三百分位以下^[7]。第二個就是成長速率緩慢，6 歲以上的男生或女生，一年長高不到 4 公分^[8]。

生長激素缺乏影響成年身高

生長激素是影響兒童身高的重要賀爾蒙，林昭旭醫師說：「生長激素由腦下垂體分泌，能夠刺激骨骼生長^[9]。如果遇到身高矮小的兒童都要留意是否有生長激素缺乏的狀況。」

懷疑生長激素缺乏時，會先幫患者抽血，並作骨齡 X 光檢查。根據臨床經驗與觀察，林醫師提到，通常會發現患者 IGF-1 偏低^[10]，且骨齡有落後的現象。

為了確定診斷生長激素缺乏症，會安排住院進行生長激素刺激測驗^[11]。林昭旭醫師說明，我們體內的生長激素是脈衝式分泌，因此得藉由藥物刺激，評估生長激素能否正常分泌。若發現有生長激素缺乏的狀況，病人可諮詢專科醫師，進行相關檢查與治療。

貼心小提醒

在孩子成長過程中，請務必維持均衡營養、規律運動^[12]、與充足睡眠^[13]，要盡量避免甜食^[14]，以免影響生長速度。

記得要定期紀錄身高，如果身高落在兒童生長曲線圖中第三百分位以下^[15]，便須特別留意。林昭旭醫師提醒家長，若發現孩子的第二性徵太早發育，像是男生的睪丸變大、女生的胸部變大^[16]，也要至兒童內分泌科檢查。

經過詳細檢查與專科醫師的評估，若確認生長激素缺乏症、沒有腦部病灶、且經過追蹤都沒有長高，面對治療藥物選擇時，充分地跟開立藥物的專科醫師進行討論。林昭旭醫師提醒，在骨骼生長板癒合之後，便沒辦法再長高，請務必及早至兒童內分泌科檢查，把握治療時機，幫助孩子順利成長！

（本衛教資訊由台灣輝瑞大藥廠提供）

PP-UNP-TWN-0090-202308

參考資料

1. 醫師受訪時分享的案例資料
2. 醫師受訪時分享的案例資料
3. 中華民國兒童生長協會（child-growth.org.tw）（Access date：2023.09.04）
4. 淺談兒童長高與骨齡迷思，國泰綜合醫院，
   https://www.cgh.org.tw/ec99/rwd1320/allphoto/1900/240-2-1.pdf
5. Abreu AP, Kaiser UB. Pubertal development and regulation. Lancet Diabetes Endocrinol. 2016;4(3):254-264. doi:10.1016/S2213-8587(15)00418-0
6. 醫師受訪時分享的臨床觀察訊息
7. 基層醫學 ； 21卷12期 (2006 / 12 / 25) ， P359 – 366，
   https://www.mmh.org.tw/taitam/famme/old%20website/failure%20to%20thrive.pdf
8. Diagnostic approach to children and adolescents with short stature – UpToDate
9. Brinkman JE, Tariq MA, Leavitt L, et al. Physiology, Growth Hormone. [Updated 2023 May 1]. In: StatPearls [Internet]. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2023 Jan-. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK482141/ (Access date: 29th, August, 2023)
10. Ibba A, Corrias F, Guzzetti C, et al. IGF1 for the diagnosis of growth hormone deficiency in children and adolescents: a reappraisal. Endocr Connect. 2020;9(11):1095-1102.
11. 生長激素刺激測驗檢查須知：GH stimulation test.pdf (cgmh.org.tw)
12. Cappa, M et al. “Neuroregulation of growth hormone during exercise in children.” International journal of sports medicine vol. 21 Suppl 2 (2000): S125-8.
13. Chaput, Jean-Philippe et al. “Systematic review of the relationships between sleep duration and health indicators in the early years (0-4 years).” BMC public health vol. 17,Suppl 5 855. 20 Nov. 2017, doi:10.1186/s12889-017-4850-2
14. Coldwell SE, Oswald TK, Reed DR. A marker of growth differs between adolescents with high vs. low sugar preference. Physiol Behav. 2009;96(4-5):574-580. doi:10.1016/j.physbeh.2008.12.010
15. 基層醫學 ； 21卷12期 (2006 / 12 / 25) ， P359 – 366，https://www.mmh.org.tw/taitam/famme/old%20website/failure%20to%20thrive.pdf
16. 淺談兒童長高與骨齡迷思，
    https://www.cgh.org.tw/ec99/rwd1320/allphoto/1900/240-2-1.pdf

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