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研究學者發展研究宇宙用的新型擴大器

臺北天文館_96
・2012/07/22 ・694字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 582 ・九年級

美國航太總署(NASA)噴射推進實驗室(JPL)和加州理工學院(California Institute of Technology,Caltech)的研究學者,最近開發了一款能將電子訊號放大的新型放大器(amplifier),將可適用於恆星、星系、黑洞等各類天體的研究,甚至可探索量子世界、發展量子電腦等,等於重新定義了可測量的最小極限,是個劃時代的發明。

所謂放大器,是將一個原本很微弱的訊號予以增強的設備,在科學測量或電子學等領域應用廣泛。在大多數任務中,現行的放大器就足以應付;但對於那些得嚴格要求的應用範疇,現行的放大器反倒成了限制發展的絆腳石。

這個新型放大器其中一項關鍵特性,就是它融入超導物質(superconductors-material),當溫度降低到某個程度後,可讓電流在沒有電阻的情況下暢流。這些研究學者使用在這個新型放大器中的超導物質是氮化鈦(titanium nitride)和氮化鈮鈦(niobium titanium nitrid)。如右上圖,是利用氮化鈮鈦製作的放大器,為直徑約16mm的雙螺旋型態。

雖然新型放大器的潛在應用範圍極廣,不過這些研究學者開發這套放大器設備的緣由,卻是為了研究宇宙。這個研究團隊建造的是可以增強微波訊號的放大器,未來這個設計其實還可以應用到從無線電波到X射線的各波段天文觀測中。

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雖然很難說未來放大器將會應用到什麼程度,不過能確定的是,最後一定會設計出相當小巧精緻、近乎完美的放大器。而透過這個新型放大器的發展,這個研究團隊展現了未來必定能達成建造完美放大器的可能性。不過,這款新型放大器仍在初期設計製造階段,還需繼續修飾改善,才能達到所謂的「完美」。

資料來源:Researchers Develop New Amp to Study the Universe[2012.07.17]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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除了蚯蚓、地震魚和民間達人,那些常見的臺灣地震預測謠言
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/02/29 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

災害性大地震在臺灣留下無數淚水和難以抹滅的傷痕,921 大地震甚至直接奪走了 2,400 人的生命。既有這等末日級的災難記憶,又位處於板塊交界處的地震帶,「大地震!」三個字,總是能挑動臺灣人最脆弱又敏感的神經。

因此,當我們發現臺灣被各式各樣的地震傳說壟罩,像是地震魚、地震雲、蚯蚓警兆、下雨地震說,甚至民間地震預測達人,似乎也是合情合理的現象?

今日,我們就要來破解這些常見的地震預測謠言。

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漁民捕獲罕見的深海皇帶魚,恐有大地震?

說到在坊間訛傳的地震謠言,許多人第一個想到的,可能是盛行於日本、臺灣的「地震魚」傳說。

在亞熱帶海域中,漁民將「皇帶魚」暱稱為地震魚,由於皇帶魚身型較為扁平,生活於深海中,魚形特殊且捕獲量稀少,因此流傳著,是因為海底的地形改變,才驚擾了棲息在深海的皇帶魚,並因此游上淺水讓人們得以看見。

皇帶魚。圖/wikimedia

因此,民間盛傳,若漁民捕撈到這種極為稀罕的深海魚類,就是大型地震即將發生的警兆。

然而,日本科學家認真蒐集了目擊深海魚類的相關新聞和學術報告,他們想知道,這種看似異常的動物行為,究竟有沒有機會拿來當作災前的預警,抑或只是無稽之談?

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可惜的是,科學家認為,地震魚與地震並沒有明顯的關聯。當日本媒體報導捕撈深海魚的 10 天內,均沒有發生規模大於 6 的地震,規模 7 的地震前後,甚至完全沒有深海魚出現的紀錄!

所以,在科學家眼中,地震魚僅僅是一種流傳於民間的「迷信」(superstition)。

透過動物來推斷地震消息的風俗並不新穎,美國地質調查局(USGS)指出,早在西元前 373 年的古希臘,就有透過動物異常行為來猜測地震的紀錄!

人們普遍認為,比起遲鈍的人類,敏感的動物可以偵測到更多來自大自然的訊號,因此在大地震來臨前,會「舉家遷徙」逃離原本的棲息地。

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當臺灣 1999 年發生集集大地震前後,由於部分地區出現了大量蚯蚓,因此,臺灣也盛傳著「蚯蚓」是地震警訊的說法。

20101023 聯合報 B2 版 南投竹山竄出蚯蚓群爬滿路上。

新聞年年報的「蚯蚓」上街,真的是地震警訊嗎?

​當街道上出現一大群蚯蚓時,密密麻麻的畫面,不只讓人嚇一跳,也往往讓人感到困惑:為何牠們接連地湧向地表?難道,這真的是動物們在向我們預警天災嗎?動物們看似不尋常的行為,總是能引發人們的好奇與不安情緒。

如此怵目驚心的畫面,也經常成為新聞界的熱門素材,每年幾乎都會看到類似的標題:「蚯蚓大軍又出沒 網友憂:要地震了嗎」,甚至直接將蚯蚓與剛發生的地震連結起來,發布成快訊「昨突竄大量蚯蚓!台東今早地牛翻身…最大震度4級」,讓人留下蚯蚓預言成功的錯覺。

然而,這些蚯蚓大軍,真的與即將來臨的天災有直接關聯嗎?

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蚯蚓與地震有關的傳聞,被學者認為起源於 1999 年的 921 大地震後,在此前,臺灣少有流傳地震與蚯蚓之間的相關報導。

雖然曾有日本學者研究模擬出,與地震相關的電流有機會刺激蚯蚓離開洞穴,但在現實環境中,有太多因素都會影響蚯蚓的行為了,而造成蚯蚓大軍浮現地表的原因,往往都是氣象因素,像是溫度、濕度、日照時間、氣壓等等,都可能促使蚯蚓爬出地表。

大家不妨觀察看看,白日蚯蚓大軍的新聞,比較常出現在天氣剛轉涼的秋季。

因此,下次若再看到蚯蚓大軍湧現地表的現象,請先別慌張呀!

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事實上,除了地震魚和蚯蚓外,鳥類、老鼠、黃鼠狼、蛇、蜈蚣、昆蟲、貓咪到我們最熟悉的小狗,都曾經被流傳為地震預測的動物專家。

但可惜的是,會影響動物行為的因素實在是太多了,科學家仍然沒有找到動物異常行為和地震之間的關聯或機制。

遍地開花的地震預測粉專和社團

這座每天發生超過 100 次地震的小島上,擁有破萬成員的地震討論臉書社團、隨處可見的地震預測粉專或 IG 帳號,似乎並不奇怪。

國內有許多「憂國憂民」的神通大師,這些號稱能夠預測地震的奇妙人士,有些人會用身體感應,有人熱愛分析雲層畫面,有的人甚至號稱自行建製科學儀器,購買到比氣象署更精密的機械,偵測到更準確的地震。

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然而,若認真想一想就會發現,臺灣地震頻率極高,約 2 天多就會發生 1 次規模 4.0 至 5.0 的地震, 2 星期多就可能出現一次規模 5.0 至 6.0 的地震,若是有心想要捏造地震預言,真的不難。 

在學界,一個真正的地震預測必須包含地震三要素:明確的時間、 地點和規模,預測結果也必須來自學界認可的觀測資料。然而這些坊間貼文的預測資訊不僅空泛,也並未交代統計數據或訊號來源。

作為閱聽者,看到如此毫無科學根據的預測言論,請先冷靜下來,不要留言也不要分享,不妨先上網搜尋相關資料和事實查核。切勿輕信,更不要隨意散播,以免造成社會大眾的不安。

此外,大家也千萬不要隨意發表地震預測、觀測的資訊,若號稱有科學根據或使用相關資料,不僅違反氣象法,也有違反社會秩序之相關法令之虞唷!

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​地震預測行不行?還差得遠呢!

由於地底的環境太過複雜未知,即使科學家們已經致力於研究地震前兆和地震之間的關聯,目前地球科學界,仍然無法發展出成熟的地震預測技術。

與其奢望能提前 3 天知道地震的預告,不如日常就做好各種地震災害的防範,購買符合防震規範的家宅、固定好家具,做好防震防災演練。在國家級警報響起來時,熟練地執行避震保命三步驟「趴下、掩護、穩住」,才是身為臺灣人最關鍵的保命之策。

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想要人手一台互動式穿戴裝置?讓夢想成真的放大器就在這裡!
活躍星系核_96
・2021/02/18 ・4057字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 595 ・九年級

文/劉奕志、李君毅、翁佳菱|國⽴臺灣⼤學物理學系電⼦學課程學生

還記得當初我們對 google 眼鏡的想像嗎?只要眨眨眼就能拍照,隨著視線的移轉便能任意地縮放視窗、捲動頁面。但,你曾關注過這些功能背後的技術嗎? 

如何讓科幻電影中酷炫的互動式穿戴裝置成爲現實,一直是科學家的夢想。圖/pexel

互動式穿戴裝置一直以來都是科幻電影中不可或缺的元素之一,而這些裝置只能存在於大螢幕上的原因,就是因為在現實層面上有許多問題還有待克服,除了成本的考量,還有就是對動作的偵測。由於人體的生物電訊號大多極小,為了偵測這些訊號,目前有效的技術基本上都需要搭配一台昂貴且續航力低的偵測裝置才能達成目的。理想的偵測裝置必須能偵測到極微小的動作,因此,偵測裝置最主要的部份便是放大器,但若想實現穿戴式裝置互動裝置的普及,這個放大器最好是低功耗、具有延展性,放大效果好,同時耐用且生產成本低,才能符合我們長時間配戴及使用的需求。 

電子元件中的放大器——電晶體

目前電子元件中的放大器,多半是運用「電晶體」來達到放大效果,而這些「電晶體」,又是從半導體堆疊而來的。

不同導電性質的材料之比較示意圖。圖/維基百科

材料中的電子原本被束縛在價帶中,但如果給電子足夠的能量,它就有機會往上跳到傳導帶,變成可以移動的電子,一般如金屬般的導體,就是價帶跟傳導帶很接近,只要一點能量就可以變成可移動的電子,而絕緣體正好相反,就算給很大的能量,還是沒有幾個電子可以移動。

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半導體正如其名,介於可以導電跟不可以導電之間,我們可藉由調整給予能量的大小,來決定材料現在能不能導電,運用此特行,可以讓半導體成為簡單的自動控制裝置,來控制電路的開、關狀態。

那由半導體組成的電晶體(Transistor)又是怎麼做出放大效果的呢?從字根上來了解 Transistor 這個字,可以發現它是由 trans(改變)跟 resistor(電阻)組成,亦即利用一個額外的接點來控制電晶體內的電阻。以電阻為例,它沒有任何的外接控制點,所以假設有 1 安培的電流從一端流入,另一端就會輸出 1 安培的電流;而電晶體多出了一個接點,倘若在這個接點上施加電壓來「通知」電晶體改變輸出端的電阻,那麼我們就能控制輸出的電流大小,這也就是電晶體作為放大器的原理。

下文提到的薄膜電晶體(Thin Film Transistors, TFT)是電晶體的一種,常用於顯示器中。藉由電流通過與否,間接控制螢幕上每個畫素產生不同的亮度,使液晶顯示器顯示出各種畫面與顏色,但一般的薄膜電晶體難以塑形,因此較難在穿戴式裝置上應用。

輕薄短小又便宜?「有機」或許就是關鍵

有機薄膜電晶體註 1(Organic Thin Film Transistors, OTFT)以具有共軛鍵結註 2 的高分子為主要材料。一般常見的有機高分子材料如塑膠與橡膠之所以為絕緣體,是因為其由碳氫化合物所組成的共價單鍵長鏈分子,並不具備可自由移動的電荷。而具有共軛鍵結導電高分子的主鏈,由交替的單鍵─雙鍵共軛鍵結而成,此時每一個碳原子有一個價電子未配對,這個多出來的電子可以在分子上自由移動,不被鍵結束縛,但這個價電子不易沿著整個長鏈移動,因此還需加以摻雜(doping)—— 即增加帶電載子(carrier,即載有某種物理特性、且可自由移動的粒子)的濃度,則此材料即成為導電體。 

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左為共軛分子 1,3-丁二烯,右為非共軛分子 1,4-戊二烯。 
圖/Tuiuti University of Paraná

與一般的薄膜電晶體比起來,有機薄膜電晶體有以下幾個優勢:低溫製程、製作步驟簡單、成本低廉且容易塑形,但由於有機材料中分子與分子間僅僅透過微弱的吸引力束縛在一起,不同於無機半導體中分子間透過化學鍵確實的連接在一起,此種較弱的分子間之相互作用,使它們易於形成缺陷,使得載子在傳輸時容易被缺陷所捕獲,此時需要施加較大的電壓以提供能量來將其釋放。這個未能解決的起始電壓問題,就是為什麼現今產業多使用無機半導體的原因。 

而今天這組由 Chen Jiang 團隊發現的蕭特基有機薄膜電晶體放大器 (Schottky barrier organic thin-film transistor amplifier circuit, SB-OTFT amplifier circuit),完美的克服了上述的阻礙。 

明明電晶體千百種,為何「它」能勝出?

這組放大器以具有共軛鍵結的高分子材料 C8-BTBT ,作為有機半導體的主要成分,使其可以利用噴墨印刷技術生產(如字面意思可以被「印」出來),製造成本因此較以往常見的薄膜電晶體低上許多,具有大量生產的潛力。而且由於 C8-BTFT 的晶粒(>50μm)相對較大,可有效覆蓋整個通道,大顆晶粒在體積不變的情況下,晶粒數量較少,也可以減少晶粒間的接觸面積,有效覆蓋整個通道並減少晶粒邊界註 4 和堆疊錯誤等晶體缺陷的形成,進而使此有機半導體的初始電壓降低,克服以往多數有機半導體因起始電壓高,所以在搭配電池使用時電力消耗快、續航力較差的問題。

Chen Jiang 團隊開發的蕭特基有機薄膜電晶體放大器示意圖。圖/Chen Jiang et al, 2019

除此之外,由於其材料特性,該放大器還具有高跨導率註 5(38.2 S/A,接近理論極限 ─ 約 38.7 S/A,一般無機電晶體為 20~30 S/A)、極低功耗(<1nW)、具延展性的特質。考慮人體生物電訊號大多十分微弱,這組有機薄膜放大器的特性恰恰符合我們對於生物電訊號偵測的需求,非常適用於在生物醫學、運動科學等相關領域進行監測追蹤。 

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這組放大器在經過三個月的環境暴露測試後,閾值電壓(即起始電壓,Operating voltage)的偏移小於 1mV 且傳導效率的浮動小於 1%,遠低於其他有機薄膜電晶體元件在相同條件下的表現(>100 mV, >20%),意即其具有優異的穩定性,即使在長時間運作下仍能保持原本良好的特性。

此組 SB-OTFT 與其他電晶體最佳表現的性質比較。圖/Chen Jiang et al, 2019

舉例來說,這個放大器可以大大的改善目前偵測人類眼電圖 (electro-oculogram,EOG) 信號的技術,意即利用偵測角膜視網膜電位來追蹤眼動,以上所述的特性改善了現今偵測器體積大、成本高、需求電源高的問題。另外,高放大功率使其有潛力偵測到極微小的波動訊號,讓我們能了解眼睛在面對虛擬環境(如景深效果)時應對的狀況。在建構虛擬實境 (Virtual Reality) 的技術上為非常重要的資訊。

此組 SB-OTFT 偵測眼電訊號示意圖。
此眼電訊號放大前後對照圖。圖/Chen Jiang et al, 2019

有機薄膜電晶體突破對科技的想像

與傳統無機薄膜電晶體相比,有機薄膜電晶體的優勢在於製作程序簡單多樣、成本低。再者,以有機材料製成使它具有更好的柔韌性,因此物件的尺寸能做得更小、更輕,攜帶起來更方便。

在過去的有機薄膜電晶體研究中多追求載子遷移率註 4 電流開關比註 5 等作為數位開關的性質提升。而此研究突破過往的窠臼,開啟了嶄新的研究方向。這組放大器能同時滿足低功耗、高放大功率與高穩定性等理想放大器應具備的性質,不僅如此,它還有優異的環境穩定度能夠大量生產的優勢,有利於應用在生活中,而這都是其他電晶體無法做到的。 

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由於目前有愈來愈多科技以互動式穿戴裝置為主軸,或許有機薄膜電晶體的發展會延續此研究發現更多可能性,使互動式穿戴裝置大量應用在生活中,突破現今對科技的想像。

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建議與協助。 

註解: 

1. 薄膜電晶體(Thin Film Transistors, TFT):是場效電晶體的種類之一,大略的製作方式是在基板上沉積 各種不同的薄膜,如半導體主動層、介電質和金屬電極層當做通道區。 

2. 共軛鍵結(conjugated bonding):指具有單鍵-雙鍵交替的鍵結方式,其中會有一個 p 軌域重疊,連接其中間的單鍵。它可以讓 π 電子游離通過所有相鄰對齊的 p 軌域。此 π 電子不屬於單鍵或原子,但是屬於一組的原子。最大的共軛體系是在石墨烯、石墨、導電聚合物和奈米碳管中被發現的。 

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3. 跨導率(transconductance efficiency):電晶體中描述跨導與相對應的工作電流比例關係的參數,此數 值越高代表設置到同樣工作環境時,所需要的工作電流越小,並因而減小整體功耗。一般常用的定義方式為 gm/IDS 其中 gm 為跨導、IDS為汲極電流。 

4. 載子遷移率(carrier mobility):指載子受到外在電場的作用下,能移動的多快的指標(常用 cm2⋅V-1⋅s-1 作為單位) 

5. 電流開關比(on/off current ratio):當給予的電壓大於起始電壓時,電晶體為開(on)的狀態,反之則 為關(off)的狀態,開與關兩個狀態的電流比稱為電流開關比,較大的電流開關比代表開關切換速度快,有較明顯的開關器功能。 

參考資料 

  1. Jiang, C., Choi, H. W., Cheng, X., Ma, H., Hasko, D., & Nathan A. (2019) Printed subthreshold organic transistors operating at high gain and ultralow  power. Science, 363(6428), 719–723 (2019) 
  2. Jia, X., Fuentes-Hernandez, C., Wang, C.-Y., Park, Y., & Kippelen B. (2018) Stable organic thin-film transistors. Science Advances, 4(1), eaao1705.
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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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這個新型放大器其中一項關鍵特性,就是它融入超導物質(superconductors-material),當溫度降低到某個程度後,可讓電流在沒有電阻的情況下暢流。這些研究學者使用在這個新型放大器中的超導物質是氮化鈦(titanium nitride)和氮化鈮鈦(niobium titanium nitrid)。如右上圖,是利用氮化鈮鈦製作的放大器,為直徑約16mm的雙螺旋型態。

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