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未來電腦一秒開機的黑科技就靠這個了!巨磁阻效應與電子自旋性是怎麼回事?

活躍星系核_96
・2020/03/26 ・3756字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 558 ・八年級

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  • 文/朱嘉棟、李湘、江丞澤 │ 臺灣大學物理學系學生

如果你使用手機、平板、或是電腦閱讀這篇文章,那你正在享受 2007 年諾貝爾物理獎研究成果而來的甜美果實。

巨磁阻是什麼?先從磁阻談起

2007 年的諾貝爾物理獎頒予了法國的費爾與德國的葛林柏格,為了他們發現「巨磁阻效應」(giant magnetoresistance, GMR) 及其相關研究。

在巨磁阻的相關研究發表之前,科學家已知外加磁場會小幅影響材料的電阻率,也就是一般所謂的磁阻效應:「外來磁場所引起的電阻變化」。而「巨磁阻」顧名思義,即是在特定的材料下,此一電阻變化的現象更加顯著。

要解釋磁阻效應這樣的情況,先讓我們縮小到微觀尺度進行觀察:一塊施有外加磁場的導體,在通入電流下,導體內部漂移的電子會因勞倫茲力 註1改變其運動行為。

電流改變的狀況與磁場和電流間的角度有關:當電流方向與磁場平行時,電子漂移速度會較慢,即電阻增大;反之,當電流方向與磁場垂直時,漂移速度較快,即電阻減小。一般來說,電阻率在這種模式下的增減幅度約為 5%

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時間到了 1988 年,艾伯特.費爾與皮特.葛林柏格博士在各自的研究中發現了一種可以讓磁性材料產生非常大磁電阻變化的方法。他們發現,把具有鐵磁性註2的鐵沒有磁性的鉻重複堆疊,組成「鐵鉻多層膜結構」,這個多層結構在外加磁場下,每一層鐵的磁矩方向會發生變化,而電流中含有兩種不同的電子自旋方向,分別感受到不同大小的電阻,因而導致非常大的磁阻效應,其電阻變化幅度高達 50%,這也就是我們所知的巨磁阻效應

巨磁阻開創的全新領域:自旋電子學!

巨磁阻效應的發現具有重大意義,除了強大的應用性,它還開創了一個全新領域:自旋電子學 (spintronics)。

簡單來說,電子具有質量、電荷、自旋等等物理量,而人們可以利用這些物理量開發出各式各樣的電子元件。例如科學家就是利用電子帶電荷的特性,開發出了電晶體、二極體、積體電路等等,大幅增加了人類生活的便利性。

LED 就是發光二極體喔!圖/DaKub@Pixabay

而現在科學家們,在巨磁阻效應的發現與成功展示後,得以藉由電子的自旋特性開發出新一批的電子元件。

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電子自旋性到底是什麼?跟巨磁阻有什麼關係?

電子的自旋具有兩種方向:上與下。一般來說,這些電子在通過非磁性材料時是不可分辨的,也就是找到自旋向上或向下的電子的機率是一樣的,我們稱這個特性為「自旋不可分辨性」。

但當電子通過具有鐵磁性的材料時,如果材料內部具有自發性磁矩(編按:即材料已經具備了磁性),不同自旋方向的電子與材料內部磁矩會產生交互作用,就會有不同的表現,而我們可以利用這個特性將自旋不同方向的電子區分開來。

與自發磁矩平行的電子在傳導過程中較不會被散射,但與自發磁矩反平行的電子,則很容易與自發磁矩碰撞而散射。這個效應可以用一個實例來比喻:在跨年夜時順著人流行走,與逆著人流行走,速度將有顯著的差異。對應到磁性材料中,逆向人流將產生更多的擦撞(散射),進而使整體的輸運速度降低(高電阻)。

若把這個原理套用到 1988 年費爾與葛林柏格博士所提出的鐵鉻多層膜結構時,就可以解釋巨磁阻效應是怎麼發生的:每一層鐵的磁矩全部平行時,只有自旋方向與磁距相反的電子會被散射,而自旋方向相同的電子則容易通過。反之,當每一層鐵呈現交互反平行時,無論自旋向上或向下的電子都會被散射。

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這個結果反映在鐵鉻多層膜電阻的量測上,就會呈現極大的電阻變化率,這種模型稱為「電流雙通道模型」。

電流雙通道模型。FM(藍色)表示磁性材料,NM(橘色)表示非磁性材料,磁性材料中的箭頭表示磁化方向;Spin的箭頭表示通過電子的自旋方向;R(綠色)表示電阻值,綠色較小表示電阻值小,綠色較大表示電阻值大。圖片改作自 wiki commons Guillom。 CC BY-SA 3.0, 連結

如上圖所示,我們將一束電流拆成自旋向上與向下的電子,他們在通過磁化方向與自身相同的鐵性層時將體驗到小電阻 (r),反之通過相反磁化方向的磁性層時將體驗到大電阻 (R)。從巨觀的角度這裡的電阻有兩個並聯,而圖右的 Rr – rR 並聯相較於圖左的 rr – RR 並聯大得多,也就是右圖的磁化方向交叉出現,就會出現巨磁阻效應。

而時隔 30 年,美國華盛頓大學與香港的研究團隊發現了一種新穎的複合性材料,使巨磁阻效應能被更顯著放大。

他們改良 1988 年費爾等人的鐵鉻多層膜結構,藉由先進的奈米技術在兩層石墨烯中間插入一至多層的三碘化鉻薄膜,形成另一種多層膜材料。而由於 CrI3 分子內含較「鐵鉻多層膜結構」中的鉻層更大的磁矩,因此更容易操縱電子在其中的移動速率。

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新研究中將兩層石墨烯中間插入三碘化鉻薄膜,形成電阻變化率更大的多層膜材料。圖/Song et al, 2018

此一複合系統只需施加微量的磁場改變其中 CrI3 的磁化方向,便可出現出高達 19000% 的電阻變化率,與最初費爾等人的 50% 相比,提高了近 400 倍。

而此一大躍進,不僅使物理界為之振奮,也為科技界注入一劑強心針。

巨磁阻:我們生活中的科技應用

事實上,日常生活中所見的磁碟即是受惠於巨磁阻效應。

我們日常生活使用的磁碟儲存資料的方式,是所謂的「磁記錄」。即是利用磁場感應的方式,探測或改變部分鐵磁性材料區域的磁矩方向,以達成記錄目的。

磁性材料中磁矩的分布通常是一區一區的,稱為「磁域」。在同一磁域中磁矩的排列方向都相同,但不同磁域的磁化方向可以不同,磁域的排列方向便可做為 1 或 0 的數位訊號。因此磁域密度大小,與讀寫入磁域方向的方法,將是決定磁儲存技術品質的關鍵。

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The inside of a computer hard drive
我們日常生活使用的磁碟儲存資料的方式,即是所謂的「磁記錄」。圖片來源

巨磁阻效應最大的應用在於製作硬碟機的讀取頭。當讀取頭經過不同磁矩方向的磁區時,其內多層薄膜的磁性層會與磁區發生交互作用,進而影響讀取頭內多層膜中的磁性層,呈現平行或反平行狀態,因而使得整個薄膜系統的電阻產生極大變化、影響通過電流的大小,由此讀取待測磁區的相關資訊。

巨磁阻讀取頭是利用磁區之間的磁場大小,來決定多層膜中的磁性層是否反轉;相較於原本依靠磁通量變化使讀取頭內線圈產生感應電流來判讀的方式,更能減少因電流雜訊所造成的誤判。除了更加準確,同時也更薄更省電。薄膜奈米級的厚度,以及讀取的精準度,大幅縮小了硬碟的體積,使新一代硬碟的容量得以大幅增加。

巨磁阻薄膜奈米級的厚度使新一代硬碟的容量大幅增加。

有了 MRAM,未來電腦手機開機只需一秒?

除了硬碟讀取頭的應用之外,巨磁阻效應在記憶體的進步也占有一席之地。

目前常用的記憶體 (RAM) 可分為兩類,一是揮發性記憶體,如動態隨機存取記憶體 (DRAM) 或靜態隨機存取記憶體 (SRAM);另一類則是非揮發性記憶體,如快閃記憶體。

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「揮發性」或「非揮發性」的區別,是指當某個元件儲存資料後,若外部電源關閉,在電源重新啟動時先前儲存的資料尚能保留住,則稱為非揮發性,若否,則稱為揮發性。

DRAM 與 SRAM 是電腦中最重要的兩種記憶體,它們的特性各異。DRAM 耗電量大且資料處理速度慢,優點是容量較大;而 SRAM 處理速度非常快,記憶密度卻小了很多。由於 DRAM 與 SRAM 都是揮發性記憶體,每當電腦啟動時,都須重新執行作業系統的載入動作,耗時甚多。若能使用非揮發性記憶體取代它們,便可實現隨開即用的便利。

但現有的非揮發性記憶體因處理速度緩慢,而且讀寫數次後便會失效,因此尚無法取代 DRAM 與 SRAM。

但若能應用巨磁電阻效應開發出磁阻式隨機存取記憶體 (MRAM),除了兼具非揮發性、省電、處理速度快,以及高度可重複讀寫特性之外,記憶密度也非常高。前面提及研究中,所發表的新穎材料亦讓人們看到 MRAM 愈趨耀眼的前途。

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如新材料能成功進入應用階段,將可望在不久之後取代現有的記憶體元件,成為新世代的記憶體。如台積電近年來即開始研發整合自家低漏電的電晶體與 MRAM,打造出利於物聯網的硬體環境。

未來技術成熟時,若能以 MRAM 成功取代目前電腦手機上的記憶體,不僅將大幅降低功耗,開機時間也將縮短至一秒以內,更多應用也會隨之而生。

未來技術成熟時,MRAM 甚至能開機時間縮短至一秒以內。圖/Pixabay@Pexels

總而言之,巨磁阻效應的重要性,會在未來的科技產品中慢慢浮現,而此次華盛頓大學與香港團隊對於巨磁阻薄膜的突破性發現,也在相關的科學與科技領域中,立下一新的里程碑。

致謝

本文源自於臺灣大學物理學系電子學的課程報告,感謝朱士維教授與程暐瀅助教的協助。

註解:

  1. 勞侖茲力 (Lorentz force):運動於電磁場的帶電粒子所感受到的作用力。
  2. 鐵磁性 (Ferromagnetism):又稱作強磁性,指的是材料在磁化後,仍能維持磁性的特性。常見如鐵在磁場中放置一段時間後,即使磁場消失仍能維持一定之磁性。

參考資料

  1. Giant tunneling magnetoresistance in spin-filter van der Waals heterostructures
    Science 360 (6394), 1214-1218. DOI: 10.1126/science.aar4851 May 3, 2018
  2. 新一代記憶體發威 MRAM 開啟下一波儲存浪潮
  3. Giant Magnetoresistance: Basic Concepts, Microstructure, Magnetic Interactions and Applications. MDPI Sensors 2016, 16, 904 17 June 2016

(編按:增補作者與致謝資訊。2020/7/20)

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活躍星系核_96
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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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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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【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

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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。

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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。」

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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。

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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。

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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。

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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?

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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。

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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?

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參考資料

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如果整個地球由質子構成,月球由電子構成,那會怎樣?——《如果這樣,會怎樣?2》
天下文化_96
・2023/04/26 ・2141字 ・閱讀時間約 4 分鐘

如果整個地球都由質子構成,而整個月球都由電子構成,那會怎樣?
——諾亞.威廉斯(Noah Williams)

質子地球,電子月球

這可能是我寫過最具破壞性的假設情境。

你可能會想像電子月球繞著質子地球運行,有點像是巨大的氫原子。某方面來說,這還有點道理;畢竟,電子繞著質子運行,而衛星繞著行星運行。事實上,原子的行星模型曾流行一時(不過,拿來解釋原子竟然不太管用)。

如果你把兩個電子放在一起,它們會想要分開。電子帶負電,而來自電荷的排斥力比將它們拉在一起的重力強了大約 20 個數量級。

如果你把 1052 個電子放在一起(構成月球),它們會劇烈的互相排斥,以致每個電子會被大到不可思議的能量推開。

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事實證明,對諾亞假設的「質子地球和電子月球」情境來說,行星模型更是大錯特錯。月球不會繞著地球運行,因為它們根本沒有機會影響彼此;使兩者各自分別炸開的力量,會遠大於兩者之間的任何吸引力。

如果暫時忽略廣義相對論(等一下會回來談),我們可以算出,來自這些電子相互排斥的能量,足以使它們向外加速到接近光速。將粒子加速到那樣的速率並不少見;桌上型粒子加速器(例如映像管螢幕)可以將電子加速到光速的相當比例。

但是,諾亞月球的電子所攜帶的能量,會遠遠大於普通加速器中的電子所攜帶的能量。它們的能量會超過普朗克能量的數量級,普朗克能量本身則是比最大的加速器中,所能達到的能量又大了很多數量級。換句話說,諾亞的問題遠遠超出普通物理學的程度,帶我們進入到量子重力與弦理論之類的高等理論領域。

所以我聯繫了尼爾斯.波耳研究所(Niels Bohr Institute)的弦理論科學家基勒博士(Dr. Cindy Keeler),請教她關於諾亞的假設情境。

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基勒博士同意,我們不應該信賴任何涉及「在每個電子中放這麼多能量」的計算,因為這遠遠超出加速器測試的能力範圍。「我不相信粒子能量超過普朗克尺度的任何事情,」她說。「我們實際觀測到的最大能量存在於宇宙射線中;我認為比大型強子對撞機大了差不多 106,但還是離普朗克能量很遠。身為弦理論科學家,我很想說會發生什麼關於弦理論的事情——但說老實話,我們也不知道。」

幸好,故事還沒結束。還記得我們先前決定忽略廣義相對論嗎?嗯,這是「帶入廣義相對論反而使問題更容易解決」的罕見情況之一。

在這種情境下,存在巨大的位能——使所有這些電子遠離彼此的能量。這樣的能量會扭曲空間和時間,和質量一樣。結果證明,電子月球中的能量大約等於整個可見宇宙的質量與能量總和。

相當於整個宇宙的質能集中在(相對較小的)月球的空間裡,會使時空強烈扭曲,甚至會比那 1052 個電子的排斥力還要強。

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基勒博士斷言:「沒錯,黑洞。」但這可不是普通的黑洞,而是帶有大量電荷的黑洞。為此,你需要一組不同的方程式——不是標準的史瓦西(Schwarzschild)方程式,而是萊斯納—諾德斯特洛姆(Reissner-Nordström)方程式。

萊斯納—諾德斯特洛姆方程式比較了向外的電荷作用力和向內的重力之間的平衡。如果來自電荷的向外推力夠大,黑洞周圍的事件視界可能會完全消失。那樣會留下密度無限大的物體,光可以從中逸出——這就是所謂的裸奇點(naked singularity)。

一旦有了裸奇點,物理學就會開始分崩離析。

量子力學和廣義相對論給出荒謬的答案,甚至是不同的荒謬答案。有人認為,物理定律根本不容許出現這種情況。正如基勒博士所言,「沒有人喜歡裸奇點。」

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以電子月球的例子來說,來自所有這些電子互相排斥的能量會非常大,以致重力會獲勝,而奇點會形成正常的黑洞。至少,某方面來說是「正常的」;它會是和可觀測宇宙一樣大的黑洞。這個黑洞會導致宇宙塌縮嗎?很難說。答案取決於暗能量是怎麼回事,沒有人知道暗能量是怎麼回事。

但就目前而言,至少附近的星系是安全的。由於黑洞的重力影響只能以光速向外擴展,因此我們周圍的大部分宇宙仍會天下太平,對我們荒謬的電子實驗毫不知情。

——本文摘自《如果這樣,會怎樣?2:千奇百怪的問題 嚴肅精確的回答》,2023 年 3 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

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天下文化_96
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