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跳脫百年框架引領量子黑科技──台灣研究團隊雕塑石墨烯嶄新電子結構

活躍星系核_96
・2021/03/31 ・1511字 ・閱讀時間約 3 分鐘

人類能否藉由人造方式調整物質材料的原子間距離與排列,並進而賦予它全新的物理特性呢?在科技部計畫的長期支持下,成功大學物理系暨前沿量子科技研究中心張景皓助理教授及陳則銘教授組成的研究團隊,成功開發出利用半導體產業常用的蝕刻技術來調控原子排列,將原本單純的石墨烯轉變為擁有奇異量子特性的嶄新電子元件,不僅有助於探索量子傳輸的基礎物理科學問題,未來將有機會應用在量子科技之中。卓越的研究成果於今 (2021) 年 2 月刊登於國際頂尖學術期刊《自然電子》(Nature Electronics)。

原子級莫爾紋:魔角石墨烯

近年來科學家透過類似積木的概念,將石墨烯以錯位扭角方式堆疊起來,藉此將石墨烯從零能隙半導體轉變成超導體、絕緣體,或將其變成像磁鐵般具有鐵磁性。這方法看似簡單,但因需將薄到僅有單原子層厚度的二維材料在特定精確角度扭角堆疊,其實際操作及未來產業應用都有著不小的難度與挑戰。

將石墨烯以錯位扭角方式堆疊起來,藉此將石墨烯從零能隙半導體轉變成超導體、絕緣體,或將其變成像磁鐵般具有鐵磁性。

研究團隊何昇晉博士(論文第一作者)與陳則銘教授試著另闢蹊徑,構想出利用半導體蝕刻技術來雕塑氮化硼基板表面,進行具有三維結構變化的堆疊,並與謝予強等團隊成員開發出能進行原子級尺度雕刻的新穎技術。有別於以往只是單純將二維材料一層一層疊上去。這個新技術能將二維材料的晶格結構(原子排列)依照被雕刻氮化硼人造超晶格基板的結構進行拉伸或扭曲變形,以此操控其對稱性破壞及電子運動等基本物理機制,進而改變物質材料之物理特性。

霍爾效應的新發現

研究團隊另一項重要發現,在於確立了兩種新型態霍爾效應的發現。過去一百多年來,科學界普遍認為磁場是霍爾效應生成的必要條件,研究團隊在具有人造晶格結構的石墨烯量子元件上,跳脫原有框架、推翻了此一論點,結合實驗及理論證實新的霍爾效應其存在完全不需任何磁場。其中帶領團隊進行理論模型建構及數值模擬的,是另一名論文第一作者同時亦是玉山青年學者的張景皓助理教授。此突破除了理解量子傳輸的基礎科學問題外,對日後應用於量子電子元件及晶片也有著莫大的幫助。

霍爾效應在 1879 年由霍爾博士發現:磁場會改變電場內的電荷運動及分布造成電位差,好比電子均勻在電路上往前移動,但路邊有人叫賣(磁場),電子會被吸引到靠邊,電子不均勻分布就產生電壓差。此效應已應用於許多 IC 及感應電路上。

科技部持續積極耕耘基礎科學研究,以作為台灣科技創新與發展的強力後盾。未來在量子科學技術研發上也投入資源規劃整合,秉持著世界頂尖的科技研發能力與人才培養,對於台灣量子科技發展建立良好的競爭力,並與全球科技研發完美接軌。

合影左起為國立成功大學物理學系謝予強同學、國立陽明交通大學電子物理系羅舜聰助理教授、國立成功大學物理學系陳則銘教授、科技部自然司羅夢凡司長、國立成功大學物理學系張景皓助理教授、國立成功大學物理學系黃柏慈博士

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我是被追查不當黨產耽誤的科學人──「百工裡的科學人」徵文

活躍星系核_96
・2020/09/02 ・1416字 ・閱讀時間約 2 分鐘
  • 文/在黨產迷路的科學人 惟聖

在大學的期間主要念生物、物理,出社會後因緣際會在不當黨產處理委員會裡做行政工作。行政工作內容跟常見的差不多,管管器材、管管議事、管管辦公室(觀察心得:網路、印表機、咖啡因是辦公室三大支柱,少一個就會造成毀滅性打擊)。

單調的工作中偶爾會有特別的,由於本會有調查權,為了釐清過去的事實常需要看一些用毛筆寫的公文,我偶爾會幫忙看這些檔案文獻並轉成文字檔,一方面繕打成楷書方便其他人作業(龍飛鳳舞的毛筆草書讀起來很吃力),一方面讓本會寫史料故事告訴大眾過去的歷史。

雖然工作上離科學有一段距離,但念跨領域科學的,很擅長在別的領域中找熟悉的東西。本會的調查對象中有一間是做廣播的,過去因承接「宣傳政令」、「遏制匪播」等任務而取得大量日產及國家土地,而任務結束後卻未還給國家,反而收為自己的資產,甚至轉賣給建商蓋豪宅。先不討論這是否為「不當取得財產」這麼硬的話題,試問為什麼做廣播會需要大片的土地呢?由於當年是要做國際級的廣播,傳播距離較長的 AM 廣播需要有大面積的天線及地網 (Counterpoise) 接收及發射訊號。當年的目標發射範圍可是到全世界,不只是全中國,就連美國都能收得到。我對廣播外行,時常在想如依文獻記載的廣播輸出功率來分析,使用這樣面積的土地是否合乎需求?這或許會是判斷「當」與「不當」的另一觀點。

看完電磁學方面的,來一個運動學的。同樣是調查對象,以前為了要執行心戰任務,奉命將文宣、食物、心戰歌曲,甚至是武器、彈藥用「空飄氣球」飄向對岸,對,就跟現在南北韓邊境發生的事情差不多。一樣先不管錢的問題,「空飄氣球」在現代聽起來似乎是個有趣的東西,想像中要考慮浮力載重、飛行的高度是否影響浮力、季風變化、如何降落,這是一個複合式的物理問題,而且有實際的需求。從台灣文獻上只能知道我們這邊的執行,不能確切知道執行後的落點散布是否如預期,只能看到說「效果很大」。在煩惱技術的始終是基層人員,根據史料,我們看到當年長官在煩惱的,是怕空飄過去的槍枝不夠新,觀感不佳恐影響心戰效果。

身為一個出生於解嚴後的科學人,可以笑笑地看待這些歷史,客觀的想探究當年的科技背景;但對於我父母一輩的人,這可是他們親身經歷過的事:在深夜聽著廣播音樂、小時候在學校被號召捐了奇怪的費用等等。這是在從事這份工作後讓我震驚的,看似冷門的議題,卻真實存在於上一世代的記憶。這甚至也存在你我的周遭,當年的黨營事業可說是包山包海,電子業、石化業、瓦斯業、農漁業等,各理工科系出身的人,相信都能找到相對應現存或曾經存在的黨營事業或關係企業。沒有人是局外人,每個人都可能有意或無意地參與其中,所以嘗試主動了解、影響政治吧,這是臺灣值得珍惜的民主自由。

時常很想念原學習領域的事情,能跟同事們分享的大多也是生物、科學方面的知識。在這裡工作遇到了不少其他領域的人,法律、政治、土地、財經等,跟他們聊天的過程中發覺各領域關注的問題偶爾也是有交集,像是生態保育一類的就涵蓋了上述所有的範圍,回歸「正軌」的話,或許能從更多觀點想自身領域的問題。另外,行政方面的經驗對團隊經營蠻有幫助的,看過了政府組織的運作方式,把模式照搬到實驗室的運作上或許會是有趣的嘗試。無論未來身在何處,做研究的方法都是一樣的,收集資料、解決問題,並嘗試讓這個社會變得更好。

最後套句本會的名言,「#親愛的 #什麼時候要還錢」,還錢讓大家可以單純得面對那段曾經現實的歷史,之後再一起回顧這片土地曾發生過有趣的科學問題吧。

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