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石墨烯再現量子驚奇!

NanoScience
・2012/10/13 ・888字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 516 ・六年級

美國與德國的物理學家發現石墨烯(graphene)具有不同於其他材料的分數量子霍爾效應(fractional quantum Hall effect, FQHE)。這項發現對於研究相對論性粒子之間的關聯性相當重要,甚至可能協助未來量子電腦的發展。

量子霍爾效應(QHE)是發生在電荷載子(如電子)被侷限在二維平面材料(如石墨烯)上,並且受到垂直平面(Z方向)的磁場作用時。此時若有電流流經X方向,則Y方向會出現一電壓,稱為霍爾電壓。在非常低溫下,電壓值會量化呈現階梯狀,又稱為霍爾態。

分數量子霍爾效應(FQHE)與整數量子霍爾效應不同,其起因為材料中電子間的強烈交互作用。這些交互作用使材料內的電荷載子行為類似帶有分數基 本電荷的準粒子,並遵守所謂的分數統計學(fractional statistics),對未來量子電腦的發展可能有著重要影響。這些交互作用通常也會導致其他重要的集合現象如超導性、磁性以及超流性,因此瞭解此交互 作用在凝態物理中具有根本重要性。

石墨烯是單原子厚的平面碳材料,其電子能以極高速度在材料內運動,行為類似無靜止質量的相對論性粒子。研究人員已經證實石墨烯內的相對論性粒子彼 此間有強烈交互作用,可以透過測量FQHE得知。最近,Amir Yacoby與其哈佛大學及馬克斯-普朗克(Max-Planck)固態物理研究所的合作者發現,石墨烯的FQHE與其他材料不同──其FQHE態具有不 尋常的次序,這是材料內的對稱性所導致的結果。這些霍爾態有助於了解石墨烯內對稱性與電子間交互作用的關連。

研究人員對懸空的石墨烯樣本施加一磁場,並利用掃描式單電子電晶體(single-electron transistor, SET)進行探測。單電子電晶體是一種非侵入性的局部探測器,能以其他技術無法匹敵的解析度測量材料電子能隙的存在,因此非常適合用來研究FQHE現象。 他們另一個重要發現是,既使巨觀樣本相當髒污,依舊能在石墨烯上找小塊到非常乾淨的區域。

該團隊目前計畫繼續探討石墨烯中不尋常的FQHE,並希望能更瞭解在不同FQHE態中電子如何排序。他們也對相關材料(如雙層石墨烯)中的分數量子霍爾效應感到興趣。詳見近期的Science|DOI: 10.1126/science.1224784。

資料來源:Graphene offers up another quantum surprise. NanoTechWeb [Sep 12, 2012]

譯者:翁任賢(成功大學物理系)
責任編輯:劉家銘

轉載自 奈米科學網

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小鼠研究指「間歇性禁食」可延年益壽——重點不在總熱量,延長用餐間隔才是重點!

台灣科技媒體中心_96
・2021/10/24 ・2679字 ・閱讀時間約 5 分鐘

2021 年 10 月 18 日,國際期刊《自然醫學》(Nature Medicine)公開的一篇研究論文,探討飲食模式和改善生理健康之間的關係。研究將小鼠總共分為五組:(1)自由取食、(2)限制 30% 的熱量攝取,但沒有禁食期、(3)限制 30% 的熱量攝取,半天內給食三次,另外半天禁食、(4)限制 30% 的熱量攝取,每天只給食一次,其他 21 小時禁食、(5)熱量攝取總量不變,但每天禁食 21 小時。

研究運用液相層析質譜儀(Liquid chromatography–mass spectrometry),以及轉錄組分析(Transcriptional profiling)等方法,發現僅「禁食」而沒有減少攝取的總熱量,就足以得到在限制熱量的飲食模式時出現的大部分代謝與核酸轉錄的特徵,以及延長壽命、防止衰弱等健康上的好處。

該研究歸納出以下三大結論:

  1. 過往研究限制熱量攝取的好處時,無法分辨原因是「總卡路里攝取下降」還是「有規律的長時間禁食」。這篇研究協助釐清熱量限制帶來好處的原因,發現單純禁食而並不減少總熱量攝入,就足以達到有助代謝和延緩老化這些健康效果。
  2. 研究是在特定的條件下所觀察到的現象,不同性別及不同品系的小鼠,禁食的效果就不同,無法廣泛推論於不同物種或不同飲食文化的個體。
  3. 禁食很可能是限制卡路里攝取時,可改善健康和長壽所必需的關鍵。如果可以證明適用於人類,未來可能幫助人們在不需要減少卡路里攝取總量的情況下,也能延緩老化、促進健康。
圖/Pixabay

大爆吃再間歇性禁食更健康?仍有待證實

臺大醫學院腦與心智科學研究所教授王培育指出,適當的飲食限制對於促進代謝、預防疾病及延長壽命的益處已是廣為人知。然而在早期用酵母菌、線蟲及果蠅作為實驗對象的研究中,受限於實驗模式,大多是以稀釋食物中的營養成份且自由飲食的方式來觀察飲食限制的好處 [1][2][3]

而在哺乳類中,小鼠或猴子實驗則是以每日一到二次或數日一次的方式,餵食正常食量的 40-80% [4][5],因此,一直以來飲食限制所帶來的好處被認為是降低日常飲食中卡路里的總量所導致。但是這些傳統的觀點在近年來的研究中已是備受挑戰,例如每日限制時間或食物量的餵食或禁食(於幾個小時內自由飲食或吃完定量的食物),也可明顯的達成健康長壽的好處 [6]

所以,重要的究竟是卡路里減量,還是禁食?本篇研究利用特定品系的小鼠,以系統性的方法實驗數種飲食的模式並且分析多種代謝及生理指標。結果顯示適當的禁食,可能是影響健康指標的關鍵,然而這是否意味著大吃大喝但間歇性的禁食是比少量及少餐更好的選擇呢?有待日後有更多的研究證據來說明。

規律禁食/進食,比總熱量攝取更重要

王培育也指出,這份研究僅使用了兩種品系的公、母小鼠進行研究,便可觀察到飲食限制對於不同性別及兩種品系小鼠的生理反應造成許多的差異,顯示本研究是在特定的條件下所觀察到的現象,無法廣泛推論於不同物種或不同飲食文化的個體。

這份研究提供一個重要的概念,適當的禁食可以達成傳統的飲食限制(禁食加上卡路里減量)對身體健康的好處,因此營養均衡、不必在卡路里上斤斤計較,一樣可能擁有健康長壽。

王培育指出,這份研究詳盡的比較了長期限制總熱量攝取與間歇性禁食,對代謝、老化以及壽命的影響,結果也顯示了有規律的間歇性禁食也許就足以帶給我們健康上的各種好處。這告訴我們,吃什麼、吃多少固然重要,何時吃以及飲食是否規律也許更重要。這結果與上月一篇發表在期刊《自然》(Nature)上的果蠅間歇性禁食實驗結果不謀而合 [7]

這份研究提供一個重要的概念,適當的禁食可以達成傳統的飲食限制(禁食加上卡路里減量)對身體健康的好處。圖/Pixabay

「禁食」才是有助代謝的關鍵

國立中興大學食品暨應用生物科技學系特聘教授蔣恩沛指出,過去許多研究都發現「限時進餐」或「限制進餐量」具有代謝益處,並延長小鼠的壽命。然而這些發現並無法釐清,哪些是純粹因為減少熱量攝入引起的好處,而哪些是因實驗要控制卡路里而無形中施加了禁食所致。

本研究在小鼠實驗中發現,限制卡路里的飲食方式,促成葡萄糖代謝、虛弱和壽命的各項改善,其實需透過「禁食」來達成。研究推翻了長期以來認為卡路里限制飲食對哺乳動物有益僅是由於減少總熱量攝取的觀點,並強調當中的「禁食行為」才是有助代謝(例如提升胰島素敏感性)和延緩老化這些保護作用的重要原因。

研究結果揭示了我們何時以及吃多少食物,如何調節代謝健康和壽命,並證明每天延長禁食,而不僅僅是減少熱量攝入,可能是熱量限制飲食對改進代謝和延緩老化的原因。過去已有研究表明,延長兩餐間隔對健康有益,本研究結果與過去研究也有相當的一致性。

蔣恩沛表示,人類老化過程中所伴隨的退化過程和疾病,有許多變因,除了攝食量、飲食方式、種類,還有基因、環境因素,甚至腸道菌相,均可能扮演角色,遠比實驗動物複雜。然而可以確定的是,限制熱量攝取可提供代謝上的益處,並可能減緩衰老、延長壽命。

圖/Pexels

本文編譯自科學期刊文章,完整文章來源:

參考資料:

台灣科技媒體中心_96
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