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懸日:夕陽的浪漫突進,現代的天文街景

活躍星系核_96
・2020/08/12 ・1414字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 468 ・五年級

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  • 文/王均豪

“I figured let the traffic stop, because the people want to drink in the cosmos.” ─Neil deGrasse Tyson(影片

每隔一段時間,你可能會看到有人聚集在西門的峨嵋街或是忠孝東西路上,架起一台台相機對著大樓之間的那片天空拍照。直到日暮時分,太陽進入大樓之間,宛如懸掛在街道的盡頭,浪漫美景誘導人們按下相機的快門。這就是現代美景「懸日」。

攝影/王均豪

懸日就是夕陽?

「我拍的懸日都不朝大樓之間的方向拍攝,我都是去海邊拍,少了一股車水馬龍的味道,改用海景提味。橙紅色的太陽照印整片天空,真的美。」
『那就是夕陽了吧。』
「不是夕陽,這懸日,拍起來跟夕陽有90%像。」
『這就是夕陽啊幹!』

懸日其實就是夕陽,當太陽與地表間的夾角愈來愈小,陽光必須透過較厚的大氣才能被我們看到。因為「瑞利散射」的原故,短波長的藍光已在途中散射開來,沒有辦法達到遠方觀察者的眼睛,剩下長波長的橙紅色陽光抵達我們的眼底,因此黃昏時分的夕陽渲染整片天空會顯出橙紅色的光芒,這就是一般常見的夕陽。

圖/visualhunt

曼哈頓懸日:曼哈頓加巨石陣

明明就是夕陽,那為何我們要給這個夕陽特別的稱呼?這就要從曼哈頓懸日的命名說起。曼哈頓懸日(Manhattanhenge)是由天文物理學家 Neil deGrasse Tyson 在 2002 年所命名,他將曼哈頓(Manhattan)與巨石陣(Stonehenge)兩個單字結合,來稱呼這種夕陽恰好懸掛於樓與樓間的美景,而在中文裡,我們則稱之為懸日。

怎麼會想用巨石陣來替懸日命名?其實這個靈感是來自於 Neil deGrasse Tyson 小時候,他參觀了巨石陣,當時是由天文物理學家 Gerald Hawkins 負責導覽。Gerald Hawkins 推測巨石陣有可能是古代的天文觀測台,並且也將這個想法寫於他的書《Stonehenge Decoded》(暫譯:巨石陣解碼)之中,這令 Neil deGrasse Tyson 在 2002 年拍下第一張懸日照片時獲得了聯想。

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如果巨石陣是古人的天文觀測台,那麼現代才有的高樓大廈就成為了我們的觀測台。

台北哪裡看得到懸日?

依中央氣象局所公布的懸日預報,2020 年的懸日將出現在西門的峨嵋街以及台北新生高架橋以西的忠孝東西路段,時間分別會在 8 月 7 到 9 日與 10 到 12 日兩個時段。

在欣賞或拍攝懸日的時候要注意不能用肉眼直視太陽過久,與任何觀測有關太陽的活動一樣,直視太久會造成眼睛損害,建議可以透過鏡頭或其他觀測工具觀看。

拍攝時也必須注意安全,為了讓夕陽恰好出現在照片的中間,拍攝者必須站在馬路中央才能拍得到,不過同時得避開來來去去的車子。建議可以在天橋或是西門徒步區這種不會有車子經過的地方拍攝。

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「讓它落下/讓我放下/我沒放下/我想放下。」
欸不是,等等,我還沒拍完,先不要落下。

自古以來太陽東升西落,夕陽已經不是什麼稀奇的事,但懸日是現代社會才能見到的美景。在都市高樓林立之間出現的太陽、被抹上橙紅色的街景,懸日是自然與人文的結合,它讓忙碌的街景停滯,享受現代的天文觀測。

參考資料

  1. WIKI – 曼哈頓懸日
  2. 報天文 – 中央氣象局 (FB粉絲專頁)
  3.  Neil deGrasse Tyson 採訪影片
  4. Neil deGrasse Tyson 影片

編按:原描述 Neil deGrasse Tyson 獲得曼哈頓懸日靈感之文字有所誤植,已修改。(2020/8/21)

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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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上網也要有「技術」!從言論、隱私到國安,你我都該懂的界線
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/12/18 ・2366字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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本文由 國家通訊傳播委員會 委託,泛科學企劃執行。 

以為鍵盤俠天下無敵?小心一個不留神就觸法!人們常忽略「網路並非法外之地」這個重要事實。不只現實生活中的法律同樣適用於網路空間,隨著科技發展,更多應網路特性而生的法律規範也相繼出現。從基本的言論自由到隱私權保護,從智慧財產權到國家安全,法律體系正全面性地回應數位時代的種種挑戰。

在臺灣,網路上的言論自由權利源自《憲法》第 11 條的明確規定:「人民有言論、講學、著作及出版之自由。」釋字第 509 號則指出,「國家應給予最大限度之維護,俾其實現自我、溝通意見、追求真理及監督各種政治或社會活動之功能得以發揮。」網路快速傳播的特性放大了言論的影響力,而大法官的解釋將言論自由的邊際刻畫得更明確,這在數位時代裡顯得格外重要。

網路與社群媒體的快速傳播,放大了言論的影響力。圖/unsplash

網路上的性、暴力與未成年保護

顯然言論自由並非是毫無限制,2023 年 11 月的一起案件就展現其中一種界線的樣貌。當時,一名 36 歲男子將他和網友在網咖的性愛影片上傳至推特,還寫下「《網咖包廂實戰計 1》我跟某公司 OL 戰鬥」等文字。這段影片一經發布,當事女子立即採取法律行動。最終,法院依其以網際網路「供人觀覽猥褻影像」的罪名,判處該名男子拘役 30 日,得易科罰金。這個判決清楚說明了,即便在虛擬空間,散布猥褻影像仍須承擔實質的法律責任。

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特別是在保護未成年人方面,法律的規範更加嚴格。《刑法》第 235 條明文禁止散布、播送或販賣猥褻物品,無論形式是圖文、聲音還是影像。而《兒童及少年性剝削防制條例》第 36 條更進一步禁止任何形式的兒童色情製品被製造、散布和持有。2019年彰化縣曾層發生過這樣一起案件:一名陳姓中年男子將9歲女童帶往居所,不僅強迫她觀看色情影片,還對她進行猥褻行為,甚至將過程上傳至 Google 雲端。儘管他後來試圖以資助女童就學表達悔意,法院仍以加重強制猥褻等罪,判處他 4 年 4 個月有期徒刑。

不實言論的散布同樣可能觸犯法律。2021 年 9 月爆發的「台大狼師案」就是一個警示。一名女大生在網路上指控教師誘騙她發生關係並傳染性病,幾個月後又指控對方對她進行強制性行為。當她提出告訴時,檢方卻查無性侵事實,加上她反覆的說詞,不僅性侵告訴失敗,還因誹謗罪反被加重判刑。

當駭客、間諜都轉戰網路戰場

2013 年,一名退役空軍上校赴陸經商時被情治單位吸收,返台後透過人脈網絡發展組織、刺探軍事機密,並以空殼公司掩護非法報酬,這個情報網持續運作了 8 年之久。

在涉及國家安全的議題上,法律的態度更是嚴厲。根據《國家安全法》第 2 條的規定,任何人都不得為境外敵對勢力及其控制的組織、機構進行資助、主持、操縱、指揮或發展組織,更不能洩漏、交付或傳遞公務機密,違反者將面臨嚴厲的刑事處罰。《刑法》規定,意圖破壞國體、竊據國土,或以非法方法變更國憲、顛覆政府者,處7年以上有期徒刑,首謀更要判處無期徒刑。

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抄襲與轉貼的邊界在哪裡?

在智慧財產權的保護上,臺灣也經歷了數位時代的轉變。台灣第一個網路著作權相關判決,就發生在傳統出版與數位平台的碰撞之中。南方社區文化網路負責人陳豐偉等三人在中山大學 BBS 上發表的文章,未經同意就被《光碟月刊》收錄在隨刊光碟中發行。三人向台北地檢署提告後,《光碟月刊》發行人兼總經理黃俊義被判處七個月有期徒刑,緩刑三年。這個判決為數位時代的著作權保護樹立了重要典範。

臺灣首例網路著作權案判決,為數位時代智慧財產權保護樹立典範。圖/envato

近年來,影音平台的著作權爭議更趨複雜。2022 年,知名 YouTube 頻道「觸電網」就因為片商車庫娛樂檢舉七十多支未經授權的影片,導致經營 12 年的頻道被迫下架。車庫娛樂透過律師聲明,這是針對「未經合法授權影音內容」的標準處理,並表明將追究民事與刑事責任。

受害了怎麼辦?申訴管道報你知

當我們在網路上的權利受到侵害時,可以根據侵害類型尋求不同的救濟管道。最基本的言論自由權利受到侵犯時,可以先向社群平台提出檢舉。若遇到更嚴重的情況,如散布猥褻影像、非法性私密影片等,除了平台檢舉外,還可以向警方提告,或是尋求衛福部「性影像處理中心」的協助。

在面對網路霸凌、不實言論時,可以向台灣事實查核中心、MyGoPen 等組織求助,協助澄清真相。若發現有害兒少身心健康的不當內容,則可以向 iWIN 網路內容防護機構提出申訴。這個由國家通訊傳播委員會支持的組織,會在受理後進行查核、轉介業者改善或依法處理。

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智慧財產權的侵害在網路時代極為常見,就像「觸電網」遭片商檢舉下架的案例。這類情況可以透過平台既有的著作權保護機制處理,情節嚴重者也可以提起民事訴訟要求賠償。若發現可疑的廣告或不公平交易行為,則可以向公平交易委員會檢舉;若是特定領域的違規內容,則應該向各該主管機關反映,例如藥品廣告歸衛福部管轄、證券期貨廣告則由金管會負責。

網路時代的法律規範正不斷演進,從個人隱私到國家安全,從言論自由到智慧財產權,每個面向都在尋求數位環境下的最佳平衡點。作為網路使用者,我們必須理解並遵守這些法律界線,同時也要懂得運用各種救濟管道保護自身權益。唯有每個人都清楚了解並遵守這些規範,才能共同營造一個更安全、更有序的網路環境。

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當心網路陷阱!從媒體識讀、防詐騙到個資保護的安全守則
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/12/17 ・3006字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文由 國家通訊傳播委員會 委託,泛科學企劃執行。 

網路已成為現代人生活中不可或缺的一部分,可伴隨著便利而來的,還有層出不窮的風險與威脅。從充斥網路的惡假害訊息,到日益精進的詐騙手法,再到個人隱私的安全隱憂,這些都是我們每天必須面對的潛在危機。2023 年網路購物詐欺案件達 4,600 起,較前一年多出 41%。這樣的數據背後,正反映出我們對網路安全意識的迫切需求⋯⋯

「第一手快訊」背後的騙局真相

在深入探討網路世界的風險之前,我們必須先理解「錯誤訊息」和「假訊息」的本質差異。錯誤訊息通常源於時效性考量下的查證不足或作業疏漏,屬於非刻意造假的不實資訊。相較之下,假訊息則帶有「惡、假、害」的特性,是出於惡意、虛偽假造且意圖造成危害的資訊。

2018 年的關西機場事件就是一個鮮明的例子。當時,燕子颱風重創日本關西機場,數千旅客受困其中。中國媒體隨即大肆宣傳他們的大使館如何派車前往營救中國旅客,這則未經證實的消息從微博開始蔓延,很快就擴散到各個內容農場。更令人遺憾的是,這則假訊息最終導致當時的外交部駐大阪辦事處處長蘇啟誠,因不堪輿論壓力而選擇結束生命。

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同年,另一則「5G 會抑制人體免疫系統」的不實訊息在網路上廣為流傳。這則訊息聲稱 5G 技術會影響人體免疫力、導致更容易感染疾病。儘管科學家多次出面澄清這完全是毫無根據的說法,但仍有許多人選擇相信並持續轉發。類似的例子還有 2018 年 2 月底 3 月初,因量販業者不當行銷與造謠漲價,加上媒體跟進報導,而導致民眾瘋狂搶購衛生紙的「安屎之亂」。這些案例都說明了假訊息對社會秩序的巨大衝擊。

提升媒體識讀能力,對抗錯假訊息

面對如此猖獗的假訊息,我們首要之務就是提升媒體識讀能力。每當接觸到訊息時,都應先評估發布該消息的媒體背景,包括其成立時間、背後所有者以及過往的報導記錄。知名度高、歷史悠久的主流媒體通常較為可靠,但仍然不能完全放下戒心。如果某則消息只出現在不知名的網站或社群媒體帳號上,而主流媒體卻未有相關報導,就更要多加留意了。

提升媒體識讀能力,檢視媒體背景,警惕來源不明的訊息。圖/envato

在實際的資訊查證過程中,我們還需要特別關注作者的身分背景。一篇可信的報導通常會具名,而且作者往往是該領域的資深記者或專家。我們可以搜索作者的其他作品,了解他們的專業背景和過往信譽。相對地,匿名或難以查證作者背景的文章,就需要更謹慎對待。同時,也要追溯消息的原始來源,確認報導是否明確指出消息從何而來,是一手資料還是二手轉述。留意發布日期也很重要,以免落入被重新包裝的舊聞陷阱。

這優惠好得太誇張?談網路詐騙與個資安全

除了假訊息的威脅,網路詐騙同樣令人憂心。從最基本的網路釣魚到複雜的身分盜用,詐騙手法不斷推陳出新。就拿網路釣魚來說,犯罪者通常會偽裝成合法機構的人員,透過電子郵件、電話或簡訊聯繫目標,企圖誘使當事人提供個人身分、銀行和信用卡詳細資料以及密碼等敏感資訊。這些資訊一旦落入歹徒手中,很可能被用來進行身分盜用和造成經濟損失。

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網路詐騙手法不斷進化,釣魚詐騙便常以偽裝合法機構誘取敏感資訊。圖/envato

資安業者趨勢科技的調查就發現,中國駭客組織「Earth Lusca」在 2023 年 12 月至隔年 1 月期間,利用談論兩岸地緣政治議題的文件,發起了一連串的網路釣魚攻擊。這些看似專業的政治分析文件,實際上是在臺灣總統大選投票日的兩天前才建立的誘餌,目的就是為了竊取資訊,企圖影響國家的政治情勢。

網路詐騙還有一些更常見的特徵。首先是那些好到令人難以置信的優惠,像是「中獎得到 iPhone 或其他奢侈品」的訊息。其次是製造緊迫感,這是詐騙集團最常用的策略之一,他們會要求受害者必須在極短時間內作出回應。此外,不尋常的寄件者與可疑的附件也都是警訊,一不小心可能就會點到含有勒索軟體或其他惡意程式的連結。

在個人隱私保護方面,社群媒體的普及更是帶來了新的挑戰。2020 年,一個發生在澳洲的案例就很具有警示意義。當時的澳洲前總理艾伯特在 Instagram 上分享了自己的登機證照片,結果一位網路安全服務公司主管僅憑這張圖片,就成功取得了艾伯特的電話與護照號碼等個人資料。雖然這位駭客最終選擇善意提醒而非惡意使用這些資訊,但這個事件仍然引發了對於在社群媒體上分享個人資訊安全性的廣泛討論。

安全防護一把罩!更新裝置、慎用 Wi-Fi、強化密碼管理

為了確保網路使用的安全,我們必須建立完整的防護網。首先是確保裝置和軟體都及時更新到最新版本,包括作業系統、瀏覽器、外掛程式和各類應用程式等。許多網路攻擊都是利用系統或軟體的既有弱點入侵,而這些更新往往包含了對已知安全漏洞的修補。

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在使用公共 Wi-Fi 時也要特別當心。許多公共 Wi-Fi 缺乏適當的加密和身分驗證機制,讓不法分子有機可乘,能夠輕易地攔截使用者的網路流量,竊取帳號密碼、信用卡資訊等敏感數據。因此,在咖啡廳、機場、車站等公共場所,都應該避免使用不明的免費 Wi-Fi 處理重要事務或進行線上購物。如果必須連上公用 Wi-Fi,也要記得停用裝置的檔案共享功能。

使用公共 Wi-Fi 時,避免處理敏感事務,因可能存在數據被攔截與盜取的風險。圖/envato

密碼管理同樣至關重要。我們應該為不同的帳戶設置獨特且具有高強度的密碼,結合大小寫字母、數字和符號,創造出難以被猜測的組合。密碼長度通常建議在 8~12 個字元之間,且要避免使用個人資訊相關的詞彙,如姓名、生日或電話號碼。定期更換密碼也是必要的,建議每 3~6 個月更換一次。研究顯示,在網路犯罪的受害者中,高達八成的案例都與密碼強度不足有關。

最後,我們還要特別注意社群媒體上的隱私設定。許多人在初次設定後就不再關心,但實際上我們都必須定期檢查並調整這些設定,確保自己清楚瞭解「誰可以查看你的貼文」。同時,也要謹慎管理好友名單,適時移除一些不再聯繫或根本不認識的人。在安裝新的應用程式時,也要仔細審視其要求的權限,只給予必要的存取權限。

提升網路安全基於習慣培養。辨識假訊息的特徵、防範詐騙的警覺心、保護個人隱私的方法⋯⋯每一個環節都不容忽視。唯有這樣,我們才能在享受網路帶來便利的同時,也確保自身的安全!

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米式散射:野火警訊與光子計算機
顯微觀點_96
・2024/06/10 ・4597字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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本文轉載自顯微觀點

野火懸浮粒子導致大量米氏散射現象

野火燭天的兩種散射

2020 年 9 月 8 日早晨,美國加州舊金山居民準備開始新的一天,他們拉開窗簾、打量天色,無不屏息失措。理應湛藍乾爽的天空,被染成濃厚的橘紅色,四下黯淡如黃昏,彷彿啟示錄降臨。

詭譎光景來自數百公里外的野火。猛烈擴散的山間火勢搭配風向,將懸浮微粒吹送到舊金山所在的灣區空中,進而散射陽光,改變天色。這片昏黃天空蘊藏的散射不只一種,其光學原理還能應用於精密的超解析顯微術和光子電腦。

Smoky Fires At Golden Gate Bridge
圖/Unsplash

平常人眼所見的藍天,並非陽光或空氣粒子本身的顏色,而是來自「散射(scattering)」:光子與粒子碰撞,改變行進方向。我們生活中接觸的散射大多為下列兩種:「瑞利散射(Rayleigh scattering)」與「米氏散射(Mie scattering)」。

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「瑞利散射」來自光照射直徑遠小於光波長的粒子(通常小於光波長的 1/10)。當光照射到這種小粒子,會向四面八方散射。光波長越短,向周遭散射強度越大。

如短波長的藍光,散射強度大於紅光。紫光的波長雖短於藍光,但人眼對紫光較為遲鈍,因此會看到蔚藍的天空。

陽光中的藍、紫光向四周散射消耗的程度較高,紅、黃光散射量較低,較能保留在原入射方向上。因此晨昏直視日頭時,會看見燦爛的橘黃色(實際上太陽發出的是白光)。

「米氏散射」則發生於光照射直徑接近或略大於光波長的粒子,主要散射方向會維持原本入射方向。不同於瑞利散射的是,米氏散射的強度與光波長沒有固定關係。

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但在粒子大小接近入射光波長時,會發生名為米氏共振(Mie resonance)的共振增強現象,沿著原方向散射的光線比入射光更強,而且是非線性的增強關係。

討論散射時,(顆粒)大小很重要

大氣層中的空氣分子大小約 1 奈米,遠小於可見光波長(360~760 奈米)。含有各種波長光線的陽光,進入大氣層、照射空氣分子,將發生瑞利散射:將光向四周散射。

單憑日常可見的瑞利散射,不足以造成籠罩加州天空的末世光景,還需要機緣巧合之下的米氏散射。

米氏散射的發生條件,是受照射粒子的直徑與入射光波長相近。

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野火懸浮微粒遠大於空氣分子,直徑可從 100 奈米分布至超過 2500 奈米。而直徑 300~1000 奈米的微粒能在大氣中懸浮最久,不易沉降或擴散離開大氣,具有從山野間長途飄盪至都會區的能力。

而可見光波長 360~760 奈米,恰好與都會上空的野火懸浮微粒直徑(300~1000 奈米)相近,達成米氏散射的恰當條件。

當懸浮微粒直徑與光波長相當時,米氏共振現象加強橘紅光向前散射,同時空氣分子的瑞利散射持續將藍綠光向周遭散射。因此在地面上的人們會看到更強的橘紅光、更少的藍綠光,在眼中交織出濃郁不祥的天色。

米氏共振的知識,不只能為我們驅除對橘紅天空的疑懼,還可能推進尖端科技發展。透過光與特定尺寸的粒子產生米氏共振,大幅散射/吸收光線,科學家得以操縱光學「非線性」,在訊號傳遞上超越既有科技。

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「非線性」的力量:米氏共振

「非線性」指輸入和輸出訊號之間的關係不呈線性。例如輸入訊號加倍,輸出訊號不變或暴增數十倍,都是非線性的表現。輸入和輸出訊號偏離線性關係的程度,就稱為非線性的大小。

具有非線性的媒介,經常成為資訊科技的核心元件。例如電晶體核心機制,就是透過電子訊號的「非線性」表現,來達到「以電控制電」的閘門效果。通常媒介的非線性愈大,作為閘門的效果會愈好。

臺大物理系教授朱士維團隊利用連續波雷射,測試不同材料、尺寸、形狀的奈米粒子,發現許多光學非線性現象,其中蘊含超乎預期地巨大的光學非線性。

朱士維團隊研究米氏共振與光熱光學效應(photo-thermo-optical effect)交織的情境,以操縱、擴大光學非線性。近十年來,他們已在自然通訊(Nature Communications)等重要期刊上發表多篇論文,領先國際。

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材料吸收入射光的能量,使溫度上升為光熱效應;材料的折射率因此改變,進而影響吸收或散射的程度則為光學效應。

米氏共振實驗則是操縱材料尺寸:高折射率材料縮小到約百奈米時,特定波長的入射光會因為共振效應,產生該材料原本不會發生的強吸收或強散射(即米氏散射),呈現新的光學特性。

金懸浮液的不同顏色大圖
不同尺寸金奈米粒子的懸浮液,發出從紫色到紅色的不同散射光。圖/Wikimedia

金、銀與電晶體中的矽,這些高折射率材料形成奈米結構後,不再呈現一般顏色。原本黃澄耀眼的黃金,以奈米結構照光,會呈現令人驚訝的紅或藍色光澤。

朱士維團隊發現,若以用矽製作成奈米方塊,可以透過長寬比例來調整米氏共振效果。某些尺寸的矽晶體會有特別強的吸收,光熱效應更加明顯,溫度劇烈上升,進而大幅改變折射率。

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單憑光熱效應,能提升奈米矽晶體的非線性 3 到 4 個數量級,透過米氏共振能夠再提升 3 到 5 個數量級。如此可以導致散射光頻率大幅偏離入射光,帶來巨大光學非線性。

如此一來,原本光學非線性微弱的矽,可以得到遠高於一般材料的光學非線性,而且僅需奈秒等級的反應時間,便能成為效率更勝電晶體的全光學開關(All-optical switch),在計算機中發揮光訊號閘門的功能。

儘管是半導體產業的最主要材料,矽製電晶體正面臨電路尺寸與運算速度的極限。若以光取代電子傳輸訊號,可能提升資料處理速度,縮減晶體尺寸,構成運算速度更快、體積更小的光子計算機。奈米矽晶體的光學性質是此實現趨勢的關鍵知識。

從扭曲中看見超解析影像:飽和激發顯微術(SAX)

光學非線性除了應用在全光學開關外,也可以應用在超解析顯微成像:飽和激發顯微術(SAturated eXcitation microscopy, SAX)。

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當雷射光聚焦掃描奈米粒子,其成像會呈現中心強周邊弱的高斯分佈。隨著雷射的強度升高,非線性現象會發生在散射光強度最高的中心位置,使映射出的影像扭曲變形。

光學非線性使觀測者無法看清顯微影像,但科學家找到了提升成像解析度的方法:辨別目標中心變形部分(非線性訊號)與周邊(線性訊號)的散射頻率差異。

SAX 顯微術的原理,是在入射光源中加上單一頻率 fm 的強度調變,若粒子與光之間只有線性效應,散射訊號將會展現出符合入射光的基頻 fm。

若非線性效應出現,散射訊號將會偏離線性、產生更高頻的諧頻訊號,經傅立葉頻譜轉換會出現 2fm、3fm 的高階諧頻。

若以「無線電波載送特定音頻」進行類比:入射光是無線電波,fm 是其載送的音頻。目標被此無線電波擊中後,散射出的音頻訊號頻率倍增;偵測此高頻訊號便能得知目標的位置。

在奈米層級,科學家藉由辨識基頻與高階諧頻的散射訊號,探測光學線性與非線性訊號的空間分布,將影像解析度提升到繞射極限以上。而且 SAX 顯微術毋須對樣本標記或染色,擺脫了多數當代超解析顯微技術的基礎需求。

Sax諧頻訊號可以大幅提升解析度
圖 1. 米氏共振說明。圖/朱士維博士

圖 1.(a) 中有兩顆金奈米粒子,其間距小於繞射極限,fm 訊號成像無法有效分辨兩者。SAX 的 2fm 高階諧頻成像,則可以分辨兩個奈米粒子的位置。而圖 1.(b) 呈現單顆矽奈米方塊,fm 基頻訊號成像較為模糊,SAX 的 2fm 成像縮小許多,解析度大幅提升。

光學技術新維度:移位共振

2023 年,朱士維與跨國學者合作,在米氏光學基礎上得到進一步發現:聚焦光斑(雷射聚焦形成的光點,laser focal spot)尺寸若與被照射的奈米粒子相近,調整光斑與奈米粒子的距離,會出現嶄新的共振型態,名為「移位共振」(displacement resonance)。

移位共振
圖 2. 移位共振說明。圖/朱士維博士

圖 2.(A) 展示了移位共振發生於立方粒子邊長(w)與移位(d)都接近聚焦光斑(FWHM)大小時。圖 2.(B) 則表現出寬度接近聚焦光斑大小的奈米矽粒子,會在距離粒子中心約一個雷射聚焦光斑寬度處,展現散射極大值。圖 2.(C) 以暗視野顯維術觀察奈米矽粒子,可以發現散射最強處位於粒子中心,符合米氏散射理論。若以高強度雷射掃描相同粒子,會發現最強散射位置在粒子周邊,得到如圖 2.(D) 的不同明暗分布,可以發展為光學開關的調控機制。

這一系列實驗以飽和激發(focused excitation)探索光學共振的新維度——移位(displacement)——以雷射光聚焦照射奈米粒子中心與其周邊,並觀察粒子與聚焦光斑尺寸、偏差距離的多種變化組合,探測產生新型共振的條件。

如前所述,光與奈米粒子的交互作用(吸收與散射)最強的配置,傳統認知上是以聚焦光斑對正奈米粒子中央,可以得到最明顯的散射。但是朱士維與合作團隊發現,特定大小的聚焦光斑與奈米粒子稍有偏差時,會檢測到意外的散射光極大值,而且散射位置並非粒子中心,而在偏移大約 100 奈米處!

利用「移位共振」的新現象,可以透過調整聚焦光斑,將光學開關從正向變成負向。利用百奈米的位移調整光學開關符號的可能性,是過往科學家從未想像的。

同時,實驗團隊也發現吸收效率也受移位共振影響,將聚焦光斑與奈米粒子中心錯開,可以得到最高效率的光熱效應。此知識將有助於加速奈米矽晶體的光學非線性反應速度。

從懸浮粒子帶來的奇幻天色、毋須螢光標記的飽和激發顯微術,到可能構成超快光子計算機的全光學開關;隨著實驗與材料製備技術的進步,光學脫離了「落伍物理學」的蒙塵櫥窗,再度為人類照亮科技進步的可能性。

參考資料

  • 《物理雙月刊》:「用光控制光」:以奈米材料大幅增強光學非線性
  • SMC 資料庫:「森林大火為什麼會導致天空變成橘紅色?」專家 QA
  • Y.-L. Tang, T.-H. Yen, K. Nishida, C.-H. Li, Y.-C. Chen, T. Zhang, C.-K. Pai, K.-P. Chen, X. Li*, J. Takahara*, and S.-W. Chu, “Multipole engineering by displacement resonance: a new degree of freedom of Mie resonance” Nat. Comm. 14, 7213 (2023)
  • S.-W. Chu, T.-Y. Su, R. Oketani, Y.-T. Huang, H.-Y. Wu, Y. Yonemaru, M. Yamanaka, H. Lee, G.-Y. Zhuo, M.-Y. Lee, S. Kawata, and K. Fujita, “Measurement of a Saturated Emission of Optical Radiation from Gold Nanoparticles: Application to an Ultrahigh Resolution Microscope,” Phys. Rev. Lett. 112, 017402 (2014).

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顯微觀點_96
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