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鎖定薄層 TIRF 顯微鏡成單分子研究關鍵

顯微觀點_96
・2024/05/20 ・2229字 ・閱讀時間約 4 分鐘

本文轉載自顯微觀點

鎖定薄層 TIRF 顯微鏡成單分子研究關鍵

首圖

單分子技術(single-molecule techniques)主要是觀察「個別」分子特性和反應過程;其中,全內角反射螢光顯微鏡(Total Internal Reflection Fluorescence, TIRF)是單分子研究的基礎關鍵技術。

生物研究中,螢光顯微鏡是常見的儀器,利用螢光標記特定的分子。當螢光分子被特定波長的入射光激發,從低能階躍遷至高能階後,掉回原本低階能狀態的過程,便會而釋放出光子,發光成像。

但傳統寬視野螢光顯微鏡會激發整個深度的螢光分子,因此也會同時激發目標區以外的分子而造成雜訊;TIRF 則是利用介質的差異,將照明限制在較淺的深度、約 200 奈米以內,便可有效減少背景訊號。

還記得之前文章曾提過,當光從一種介質傳遞到另一種介質,部分反射,部分因為波速變化而發生折射,例如從水到空氣。

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折射角度遵守斯涅耳定律(Snell’s law):n1 × sinθ1 = n2 × sinθ2

其中,若 n1 折射率較高(光密介質)、n2 折射率較低(光疏介質),光線從 n1 射向 n2。

當入射角 θ1 小於臨界角 θc 時,光線部分往 n2 介質以 θ2 角度折射,部分往 n1 介質以 θ1 角度反射;當入射角 θ1 大於臨界角 θc 時,則沒有折射光線,產生全反射現象。

雖然全反射時,光不會進入第二介質發生折射,但在介面處仍會產生漸逝波(evanescent wave)。漸逝波的頻率與入射光相同,且強度隨與介面的距離增加呈指數衰減,並垂直介面、沿著 z 方向最多達到奈米級的深度。

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反射
反射
Tirf 影像

全反射時在介面處仍會產生漸逝波(左圖),TIRF 顯微鏡利用此作為螢光激發光源,將照明限制在較淺的深度(右圖左)。圖片來源:Olympus 官網

而穿透深度(d) 取決於入射照明的波長(λ)、入射角(θ1)以及介質的折射率(n)。

d = λ/4π × (n12 sin2θ1 – n22)-1/2

TIRF 顯微鏡便是利用這樣的漸逝波作為激發光源,激發樣本介面的螢光分子,產生全反射螢光影像。

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TIRF 顯微鏡依據光入射路徑,可分為稜鏡型(prism-based) 與物鏡型(objective-based) 兩類。

稜鏡型和物鏡型
TIRF 顯微鏡可分為稜鏡型(prism-based) 與物鏡型(objective-based) 兩類。圖片來源:Chemical Review 網站

在稜鏡型 TIRF 中,在樣本另一側使用稜鏡產生全反射,以激發細胞培養基上的螢光生物樣本,不需要特殊物鏡。但稜鏡型 TIRF 為了要達到較高的解析度,接收螢光的物鏡工作距離較短,樣本和物鏡間的空間較小,限制了研究者進一步對樣本進行操作。

物鏡型 TIRF 則是將物鏡除了作為收集螢光信號的鏡頭外,同時也作為發生全反射的稜鏡。入射光從物鏡邊緣射向樣本,並使用高數值孔徑(NA 通常在 1.45 以上)的物鏡實現大於臨界角的入射角,以產生全反射。

樣本與蓋玻片介面處產生漸逝波,激發樣本表面區域的螢光物質,同時以高數值孔徑的同一物鏡收集螢光顯微鏡影像。

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理論上,一般光源也可作為全反射螢光顯微鏡的光源,但前面提到穿透深度與波長、入射角及折射率等都有關係,因此常以雷射作為光源。例如中研院單分子生物核心實驗室就以三個常用波長(485、532、640 nm)的雷射作為光源,並自動調節入射光源角度及漸逝波穿透深度。

由於 TIRF 顯微鏡的可觀察深度僅在 200 奈米以內,因此常結合螢光共振能量轉換法(fluorescence resonance energy transfer, FRET)、光鉗(optical tweezer)等技術,大量地應用在蛋白質、細胞膜等研究。而相較於也能鎖定 z 軸光學切面、不會受到太多背景干擾的共軛焦顯微鏡,TIRF 也能以更快速度獲取細胞膜運送物質,如胞吞、胞吐等作用的影像。

中研院單分子生物核心實驗室負責人黃婉媜便曾提到,由於 TIRF 顯微鏡的可觀察深度僅在 200 奈米以內,恰好細胞膜上非常多離子通道和受體以及訊息傳遞分子都位於此深度內,是研究藥物作用及藥物動力學很好的工具。

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中研院單分子生物核心實驗室使用 TIRF 顯微鏡結合 FRET 技術,偵測蛋白質與 DNA 分子間交互作用。攝影/楊雅棠

參考資料

  1. 胡書銘(2008)。全反射螢光顯微術於生物單分子研究的樣品簡易處理。科儀新知,(164),82-88。
  2. 楊德明、林夏玉、蔡定平(2003)。全反射原理及在生物螢光顯微鏡之應用。科儀新知,(133),67-73。
  3. Olympus: Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy
  4. MICROSCOPY U:Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) Microscopy

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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。

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Intel® Core™ Ultra AI 處理器:下一代晶片的革命性進展
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/21 ・2364字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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本文由 Intel 委託,泛科學企劃執行。 

在當今快節奏的數位時代,對於處理器性能的需求已經不再僅僅停留在日常應用上。從遊戲到學術,從設計到內容創作,各行各業都需要更快速、更高效的運算能力,而人工智慧(AI)的蓬勃發展更是推動了這一需求的急劇增長。在這樣的背景下,Intel 推出了一款極具潛力的處理器—— Intel® Core™ Ultra,該處理器不僅滿足了對於高性能的追求,更為使用者提供了運行 AI 模型的全新體驗。

先進製程:效能飛躍提升

現在的晶片已不是單純的 CPU 或是 GPU,而是混合在一起。為了延續摩爾定律,也就是讓相同面積的晶片每過 18 個月,效能就提升一倍的目標,整個半導體產業正朝兩個不同方向努力。

其中之一是追求更先進的技術,發展出更小奈米的製程節點,做出體積更小的電晶體。常見的方法包含:引進極紫外光 ( EUV ) 曝光機,來刻出更小的電晶體。又或是從材料結構下手,發展不同構造的電晶體,例如鰭式場效電晶體 ( FinFET )、環繞式閘極 ( GAAFET ) 電晶體及互補式場效電晶體 ( CFET ),讓電晶體可以更小、更快。這種持續挑戰物理極限的方式稱為深度摩爾定律——More Moore。

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另一種則是將含有數億個電晶體的密集晶片重新排列。就像人口密集的都會區都逐漸轉向「垂直城市」的發展模式。對晶片來說,雖然每個電晶體的大小還是一樣大,但是重新排列以後,不僅單位面積上可以堆疊更多的半導體電路,還能縮短這些區塊間資訊傳遞的時間,提升晶片的效能。這種透過晶片設計提高效能的方法,則稱為超越摩爾定律——More than Moore。

而 Intel® Core™ Ultra 處理器便是具備兩者優點的結晶。

圖/PanSci

Tile 架構:釋放多核心潛能

在超越摩爾定律方面,Intel® Core™ Ultra 處理器以其獨特的 Tile 架構而聞名,將 CPU、GPU、以及 AI 加速器(NPU)等不同單元分開,使得這些單元可以根據需求靈活啟用、停用,從而提高了能源效率。這一設計使得處理器可以更好地應對多任務處理,從日常應用到專業任務,都能夠以更高效的方式運行。

CPU Tile 採用了 Intel 最新的 4 奈米製程和 EUV 曝光技術,將鰭式電晶體 FinFET 中的像是魚鰭般阻擋漏電流的鰭片構造減少至三片,降低延遲與功耗,使效能提升了 20%,讓使用者可以更加流暢地執行各種應用程序,提高工作效率。

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鰭式電晶體 FinFET。圖/Intel

Foveros 3D 封裝技術:高效數據傳輸

2017 年,Intel 開發出了新的封裝技術 EMIB 嵌入式多晶片互聯橋,這種封裝技術在各個 Tile 的裸晶之間,搭建了一座「矽橋 ( Silicon Bridge ) 」,達成晶片的橫向連接。

圖/Intel

而 Foveros 3D 封裝技術是基於 EMIB 更進一步改良的封裝技術,它能將處理器、記憶體、IO 單元上下堆疊,垂直方向利用導線串聯,橫向則使用 EMIB 連接,提供高頻寬低延遲的數據傳輸。這種創新的封裝技術不僅使得處理器的整體尺寸更小,更提高了散熱效能,使得處理器可以長期高效運行。

運行 AI 模型的專用筆電——MSI Stealth 16 AI Studio

除了傳統的 CPU 和 GPU 之外,Intel® Core™ Ultra 處理器還整合了多種專用單元,專門用於在本機端高效運行 AI 模型。這使得使用者可以在不連接雲端的情況下,依然可以快速準確地運行各種複雜的 AI 算法,保護了數據隱私,同時節省了連接雲端算力的成本。

MSI 最新推出的筆電 Stealth 16 AI Studio ,搭載了最新的 Intel Core™ Ultra 9 處理器,是一款極具魅力的產品。不僅適合遊戲娛樂,其外觀設計結合了落質感外型與卓越效能,使得使用者在使用時能感受到高品質的工藝。鎂鋁合金質感的沉穩機身設計,僅重 1.99kg,厚度僅有 19.95mm,輕薄便攜,適合需要每天通勤的上班族,與在咖啡廳尋找靈感的創作者。

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除了外觀設計之外, Stealth 16 AI Studio 也擁有出色的散熱性能。搭載了 Cooler Boost 5 強效散熱技術,能夠有效排除廢熱,保持長時間穩定高效能表現。良好的散熱表現不僅能夠確保處理器的效能得到充分發揮,還能幫助使用者在長時間使用下的保持舒適性和穩定性。

Stealth 16 AI Studio 的 Intel Core™ Ultra 處理器,其性能更是一大亮點。除了傳統的 CPU 和 GPU 之外,Intel Core™ Ultra 處理器還整合了多種專用單元,專門針對在本機端高效運行 AI 模型的需求。內建專為加速AI應用而設計的 NPU,更提供強大的效能表現,有助於提升效率並保持長時間的續航力。讓使用者可以在不連接雲端的情況下,依然可以快速準確地運行各種複雜的 AI 算法,保護了數據隱私,同時也節省了連接雲端算力的成本。

軟體方面,Intel 與眾多軟體開發商合作,針對 Intel 架構做了特別最佳化。與 Adobe 等軟體的合作使得使用者在處理影像、圖像等多媒體內容時,能夠以更高效的方式運行 AI 算法,大幅提高創作效率。獨家微星AI 智慧引擎能針對使用情境並自動調整硬體設定,以實現最佳效能表現。再加上獨家 AI Artist,更進一步提升使用者體驗,直接輕鬆生成豐富圖像,實現了更便捷的內容創作。

此外 Intel 也與眾多軟體開發商合作,針對 Intel 架構做了特別最佳化,讓 Intel® Core™ Ultra處理器將AI加速能力充分發揮。例如,與 Adobe 等軟體使得使用者可以在處理影像、圖像等多媒體內容時,能夠以更高效的方式運行 AI 算法,大幅提高創作效率。為各行專業人士提供了更加多元、便捷的工具,成為工作中的一大助力。

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超高速光學顯微技術,連使出電光一閃的病毒粒子都拍得到!
研之有物│中央研究院_96
・2017/05/08 ・2396字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 572 ・九年級

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超高速光學顯微鏡,有影片有真相

動體視力對於運動員很重要,而研究移動快速的細胞、病毒、細菌時,為了讓顯微鏡底下的世界看得更快更清楚,中研院原子與分子科學研究所的謝佳龍助研究員,與團隊一起研發每秒可拍五十萬張影像的光學顯微技術,有助科學家在對生物系統造成最小干擾的情況下,直接觀察奈米尺度的活體現象。

謝佳龍團隊集結光電、生物、材料專家,研發過程不斷思考「超高速光學顯微影像技術」應用於跨領域的可能性。圖/張語辰

超高速光學顯微鏡,追求速度與激清

2014 年諾貝爾化學獎,頒發給「超解析螢光顯微鏡」的發明團隊,當科學家得以在奈米尺度看見生命中最小「元件」運作時,例如細胞、病毒、細菌,就能發現傳統顯微技術無法察覺到的生物現象。看見各領域都想辦法為生物科學、醫學盡一份力,改善人類的健康,電機和光電工程背景的謝佳龍受到啟發。

我一直在尋找有什麼光學技術既簡單又可靠,而且影響力還能超越光學領域。

謝佳龍運用光學專業,改良廣泛使用的傳統明場(brightfield)顯微鏡,和團隊一起研發 COBRI 顯微鏡,可觀察奈米尺度單粒子在三度空間的高速運動。

COBRI 顯微鏡的核心概念是採用雷射作為光源,取代傳統的白熾燈,再透過干涉的方法,偵測線性散射(linear scattering)光訊號。當一個粒子的折射率和周圍環境不同時,在光的照射下便會將部分的光散射,運用這個特性就可以量測被觀察的粒子位於何處、又移到動哪裡。

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當雷射光通過層層關卡穿透樣品後,會產生 COBRI 訊號和激發螢光訊號,並各自投影到高速 CMOS 相機和 EMCCD 相機。資料來源/Coherent Brightfield Microscopy Provides the Spatiotemporal Resolution To Study Early Stage Viral Infection in Live Cells ;圖說改編/林婷嫻、張語辰

超高速光學顯微鏡全貌:這是謝佳龍團隊大幅優化的第二代版本,並同時紀錄傳統的螢光標籤影像以利比較。圖/張語辰

超高速光學顯微鏡局部:雷射光會先穿過 SM 、AOD 、層層透鏡後,再前往樣本放置台。圖/張語辰

追蹤拍攝單粒子時,「快狠準」是最重要的。謝佳龍團隊不斷改進顯微鏡的時間和空間解析度,一開始只想做到每秒拍幾千張影像,但慢慢地團隊越來越貪心,不斷試著超越極限。

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目前實作中以一個 20 奈米直徑的金粒子為例,每秒可超高速拍攝五十萬張影像,並將金粒子的中心位置做到準確度 2 奈米的定位。

「要是我們可以做到……就好了」每次我向團隊說出更難的提議時,大家會崩潰吶喊「怎麼可能!」,但現在回頭看,過去不可能的事都是有可能的。

什麼東西跑得快?就決定觀察你了,病毒!

超高速光學顯微鏡,開啟許多過去無法進行的單分子生物研究。在中研院分子生物研究所的張雯博士的協助與建議下,謝佳龍團隊著手觀測牛痘病毒顆粒著陸在細胞表面上的高速運動。

生物學家們可以透過實驗了解病毒降落在細胞後會「發生什麼」,但無法直接看到「怎麼發生」,不知道病毒在過程中做了哪些奇怪的行為。

一開始,謝佳龍團隊在實驗室等了一整個下午,病毒都沒有掉到要觀測的細胞樣本上,比向月老求姻緣更難預測病毒降落細胞表面的時機。後來團隊成員黃逸帆想到一個方式突破困境,各位觀眾,請見下圖。

黃逸帆將牛痘病毒粒子裝在極細的玻璃管中,並將玻璃管移至細胞樣本上方,就能在局部釋放出病毒粒子,提高病毒接觸到細胞表面的機率。圖/張語辰

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謝佳龍團隊透過超高速光學顯微鏡看見:當牛痘病毒粒子附著到細胞膜之後,一秒內便被侷限在幾百奈米的範圍中,並在微秒時間尺度下,做非常高速的橫向擴散運動(擴散係數〜1μm2/s)。影像紀錄的 3D 空間精準度 <3 nm,時間解析度高達每秒 100,000 幀。

超高速光學顯微鏡下,牛痘病毒於細胞表面著陸移動軌跡(擴散係數〜1μm2/s),圖中所有數據皆以 5 kHz 記錄。資料來源/Coherent Brightfield Microscopy Provides the Spatiotemporal Resolution To Study Early Stage Viral Infection in Live Cells ;圖說改編/林婷嫻、張語辰

我們看見病毒掉到細胞膜之後,在細胞膜上非常快速的擴散運動(diffusion),短暫地跟一些區域互動,最後找到一個區域停留,這是在我們觀察之前沒有人知道的。

觀測奈米尺度的活體現象,意義是?

以病毒為例,當病毒要入侵宿主細胞時,它如何遊走、它會不會進入細胞,跟病毒如何辨識細胞表面受體很有關連。雖然傳統分子生物實驗方法可以間接推測其關連性,但超高速光學顯微鏡能為整個過程提供第一手直接證據,有畫面有真相。

另外,超高速光學顯微鏡是在對生物系統造成最小干擾的情況下,直接觀察奈米尺度的活體現象,也能協助科學家檢驗傳統螢光標記的觀測方式,有沒有影響活體樣本原本的行為。

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每個人都會有夢想,而對於打造出超高速光學顯微鏡的男人而言,謝佳龍希望能應用清楚看見奈米粒子高速運動的特性,協助找出健康問題的解決方案,例如細菌感染、腸病毒、登革熱病毒、或神經細胞的特定狀況。

儘管距離實現夢想還有一段路要走,但是謝佳龍想了想,很有自信地說:

只要朝對的方向走,再慢也會到達目的地。


延伸閱讀

執行編輯|林婷嫻  美術編輯|張語辰

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CC 4.0

本著作由研之有物製作,以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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光波操縱師─神奇的光子晶體--《科學月刊》
科學月刊_96
・2015/12/21 ・5409字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 611 ・十年級

欒丕綱/清華大學物理博士,中央大學光電系副教授。研究專長為光子晶體,聲子晶體,以及超穎材料。

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(左)孔雀羽毛(右上)變色龍的皮膚(Source: Tambako The Jaguar)(右下)蝴蝶翅膀 自然界的光子晶體

有沒有能夠抓住光,卻不消滅光子的方法?光子晶體不僅能讓光轉彎,還能讓動物展現美麗的色彩!

1980 年代時,人類對於光的認識已經很深入。那時人們已懂得使用透鏡組件,藉由改變折射率與介質表面的特定形狀以控制光線的傳播方向,如使用望遠鏡觀察宇宙,製作顯微鏡觀察微生物。

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人們知道單一頻率的光通過雙狹縫會有干涉現象,而光波通過小尺度的物體會產生繞射與散射。利用光從「密介質(折射率大的介質)」傳向「疏介質(折射率小的介質)」,入射角大於「臨界角」時會發生的全反射現象,可以設計出波束分離器(beam splitter)、波導(waveguide),與光纖。利用光是電磁波的事實,可以藉著控制光的偏振與相位做出光學波片(wave plate)、濾波器,以及調制器 (modulator)。利用量子力學與半導體物理的知識,人們知道如何操控光子與原子的交互作用,製造出所需要的雷射以供進一步應用。

以上這些控制手段似乎缺少了什麼?仔細觀察,會發現這些對光的控制手段可歸納為以下幾種:(一)控制光的傳播方向,(二)控制光的傳播區域/ 範圍,(三)控制光的強度,(四)控制光波的相位與偏振,(五)控制光的相位一致性以及傳播方向的準確度。以上這些控制手段的共同特色就是「不能阻止光的傳播」。雖然光子可以被原子吸收或放射出來,但若試圖阻止光的傳播,那麼光子只能藉著被材料吸收而消失,轉換為其他能量,例如熱能。

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光子晶體模型。Source: ENERGY.GOV

光子晶體的發想

1987 年左右,雅布羅諾維奇(Eli Yablonovitch)與約翰(Sajeev John)兩位科學家不約而同地思考著阻止光傳播卻不消滅光子的可能性。

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雅布羅諾維奇是一位實驗物理學家,曾任職貝爾通信研究所(Bell Communications Research)的研究員。他當時思考的問題主要是如何抑制原子的「自發輻射(spontaneous emission)」以減少能量的浪費,並增加雷射的效率。根據雅布羅諾維奇教授的回憶,當時曾有一些研究者建議將發光的原子置於「兩面金屬牆」之間;另一些研究者則建議使用「一維布拉格光柵(1D Bragg grating)」以取代金屬牆。然而,雅布羅諾維奇博士認為這兩種方法都行不通。

第一種方法只能阻擋某一種偏振的光,因此只有一半的效果。另一種方法雖然能阻擋朝著布拉格光柵週期方向傳播的光,但是對於朝著垂直於週期方向(此方向介質是均勻的)傳播的光卻沒有效果。雅布羅諾維奇於是試著在紙上畫出他認為行得通的三維週期結構,並在往後的幾年中不停試著對介電質鑽洞,以找出確實可行的週期結構。經過了好幾年的失敗,並在跟理論物理學家的合作下,在鑽了大約五十萬個洞之後,終於找出了理想可行的三維週期結構。

另一位光子晶體概念的提出者約翰,則是基於完全不同的理由而提出這個概念。約翰是一位理論物理學家,那時的他是一位普林斯頓大學(Princeton University)的年輕助理教授。當時他所思考的問題是,如何讓光在介質中的傳播停下來。

故事先回到1958 年,當年服務於貝爾實驗室(Bell Labs)的凝態物理學家(condensed matter physicist) 安德森(P. W. Anderson,1977年諾貝爾物理獎得主)從理論上發現了一個很驚人的現象,後來被稱作安德森局域化(Anderson localization):在一個充滿隨機分布的雜亂位能(random potential)的材料裡,電子可以因「多重散射(multiple scattering)」而被困在其中無法移動。根據量子力學,支配電子的各種行為的是薛丁格方程式(Schrödinger equation)─ ─ 這是一個波方程式(wave equation),因此安德森局域化現象其實是一個波現象,與電子的粒子性似乎並沒有直接關係。科學家們理解到這一點後,忍不住好奇的問:這樣奇特的波現象會不會也發生在光波與聲波系統?如果有,能不能觀察到?

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約翰的博士論文所研究的就是局域化現象,因此他對於安德森局域化的理論內涵有很深的理解與掌握。對應於電子系統的隨機位能,在光學系統內所要準備的是具有隨機分布的凌亂折射率的透明介質。然而,研究者發現,理論上要達到把光完全困住的結果,所需要的介質樣品必須非常大,而且在實驗上很不容易把這個現象,與光在傳播過程中介質對光能量的逐步吸收效應區分出來。約翰於是建議先做出週期性的介質,再將介質的週期稍微弄亂一些,如此在某些頻段就可以用較小的介質樣品將光完全困住。

雅布羅諾維奇與約翰目前分別是加州大學柏克萊分校(University of California, Berkeley)與加拿大多倫多大學(University of Toronto)的教授。根據雅布羅諾維奇的說法,當年他們在學術界頂級的物理期刊《物理評論通訊》(Physical Review Letters)各自發表了他們的第一篇光子晶體研究論文,兩篇論文的刊登日期相隔不到一個月。當他們聽說了彼此獨立提出了相似的研究概念後,就相約吃午飯,並一起為這個概念取名為光子晶體(Photonic Crystals)。

現今看來,這個既含有「光子」又含有「晶體」的名字取得十分誘人。這個說法從每年有眾多光子晶體相關的研究論文被發表就可以看得出來。另一個觀察指標則可以簡單地經由Google搜尋查到,這兩位先驅的第一篇光子晶體論文目前分別累積了13725次與9582次引用次數。不過,在論文發表後,他們的論文並未立刻引起其他研究者注意。事實上,雅布羅諾維奇此論文發表後的頭三年,完全沒有其他人引用,前五年也只被引用兩次,而且這兩次還都是雅布羅諾維奇教授自己引用的。然而,進入90年代後,半導體製程技術的進步使得人們很容易製作尺寸從數百奈米至數微米的週期結構,而電腦運算資源的大幅成長,也讓人們很容易從理論上去計算出所設計的光子晶體的光學特性。這兩方面的重要發展促使了光子晶體的研究無論在數量與速度上,都以指數函數的方式隨時間成長。

光子晶體基本性質

講了那麼多故事後,那麼到底光子晶體的定義是什麼呢?背後的物理原理為何?所謂的光子晶體,其實就是「介電質的週期結構(periodic structure of dielectrics)」。

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所謂介電質(dielectrics),即非金屬的材料;而所謂週期結構,就是在空間上無窮次重複的圖樣(repeat patterns)。化學課本告訴我們:「完美的固態晶體具有週期性的原子排列」。光子晶體的週期結構就像那樣,只不過光子晶體是將晶體中的原子以介電質的「人工原子」取代,尺寸也較真實晶體放大了數十倍甚至是數百倍。另外,在普通的半導體晶體物質中,導電須依靠電子通過週期性的位能;而在光子晶體中,光傳播是靠光波通過具有週期性變化的介電常數/折射率的介電質材料。

在半導體的研究中,人們很早就知道,週期位能對電子傳播的影響就是產生了能帶結構(energy band structure)與能隙(energy band gaps),後者又稱禁制帶(forbidden bands)。也就是說,可以在半導體中傳導的電子,它們的能量分布是一段一段的,而這每一段被稱為一個能帶。與此類似,在光子晶體中可傳播的光,其頻率的分布也是一段一段的,每一段稱為一個「頻帶(frequency band)」。夾在相鄰的兩個頻帶之間的則是頻隙(frequency band gaps) 或帶隙。根據量子力學,光子的能量與它的振動頻率成正比,比例常數是普朗克常數h,因此我們也稱光子頻隙為光子能隙。

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典型的週期介電質結構 (左)一維多層膜(中)介電層上之二維空氣柱(右)三維介電質「材堆」(woodpile)結構。

光子頻隙

為何會出現頻隙? 這不是個容易回答的問題。此處提供一個比較直覺的看法。當光波在週期結構中傳播時,會經歷多重散射,散射後的各分波與入射波一起疊加成總波場。這些分波疊加後在空間中形成建設性干涉與破壞性干涉的許多區域。在二維與三維的世界裡,破壞性干涉的區域若是形成各自分離的「孤島」,波能量仍可藉由連通的建設性干涉區,繞過這些孤島而傳播。反之,當建設性干涉的區域彼此互不相連,它們自己形成孤島時,波能量將無法傳遞。若在一整段頻率範圍內波能量都無法傳遞,則這一段頻率範圍就形成頻隙。

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以上雖然說明了頻隙是波的一種破壞性干涉的效應,但很難從直覺上看出這個結果。頻隙可以很容易藉著不算太複雜的數值方法以電腦程式計算出來,但是幾乎不可能僅僅藉著用筆就推導出它在頻率軸上的正確位置與寬度。

光子晶體的應用

設計出這種有頻隙的光波介質,除了能將光波擋住,讓它傳播不了以外,有什麼積極性的應用嗎?答案是:有的。

通常用來製造光子晶體的方法,就是在一塊完整的介電質上周期性的打洞,或是用許多介電質小球或介電質柱子排成週期結構。利用光子晶體的頻隙特性,只要選擇將週期性做局部的破壞,就可以製造出許多有用的奈米光學元件。例如在介電質中製造「點缺陷(point defect,基本方法是在某一個該打洞的位置不打洞)」或「線缺陷(line defect,少打一整排洞)」,就可以將光波侷限在該缺陷附近以形成「共振腔(resonant cavity)」或是「光子晶體波導」。

(左)點缺陷應用於共振腔(中)線缺陷應用於波導(右)光波能量在直角轉彎的光子晶體波導中的分佈情形。
(左)點缺陷應用於共振腔(中)線缺陷應用於波導(右)光波能量在直角轉彎的光子晶體波導中的分佈情形。

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傳統波導是利用全反射將光侷限在波導中,若是波導的轉彎角度過大,全反射條件就會被破壞,導致漏光。然而,光子晶體波導藉由頻隙效應將光鎖在波導內,工作原理與全反射無關,因此可以大幅度改善傳統波導大角度轉彎的光能損耗問題,實現光迴路的微小化。這使得在小尺度製造出「積體光路」以取代傳統「積體電路」變得可行,換句話說,使用光子取代電子作為資訊傳輸與處理媒介的可能性將大幅提高。基於這種可能性,雅布羅諾維奇甚至在一篇介紹光子晶體的科普文章中,稱光子晶體為「光的半導體」。利用同樣的原理,也可以製造出橫截面是含有點缺陷與週期結構的光子晶體光纖,用以輔助或取代部分傳統光纖。

負折射應用

除了頻隙效應,光子晶體的傳導頻帶其實也有妙用。透過光子晶體頻帶所提供的特殊色散關係(dispersion relation),光波在某些頻率範圍內表現出不尋常的傳播行為。而其中最有趣的就是負折射。當光由真空進入介質中, 若折射波折向法線的同一邊, 則根據司乃爾定律(Snell’s law) 可定義此介質具有負的折射率。

目前至少有兩種方式可實現負折射。第一種是利用光子晶體在「頻帶邊緣」(band edge)的特殊色散關係製造出「負群指數」(negative group index),其類比於半導體能帶理論中電子的「負等效質量」(negative effective mass)。第二種方式是製造一種在每一個晶胞(unit cell)中包含有共振器(resonators)的金屬性光子晶體。適當選取頻率範圍,可使此介質的等效介電常數、磁導率以及折射率皆為負值。

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光子晶體的負折射現象。(這不是反射,藍色的線條為法線。)

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2000年10月,倫敦帝國理工學院(Imperial College, London)的彭德里(J. B. Pendry)教授在《物理評論通訊》上發表一篇著名的文章,證明一塊折射率為-1的負折射介質板是一個「完美透鏡」,具有放大「消逝波(evanescent wave)」的神奇能力,可將波源「完美成像」而超越繞射極限。此文發表後,立即在學術界掀起了負折射研究的熱潮。在研究者的持續努力下,負折射的現象已證明確實存在,且Science 期刊基於其應用潛力(例如新式的讀寫頭等),將相關研究選為2003 年的十大科技成果之一。更有甚者,這方面的研究後來重新取了一個名字,現在被稱「超材料」或「超穎材料」,是當前最熱門的研究領域之一。超材料研究目前最受矚目的研究方向是可超越繞射極限的超級透鏡,以及可以將物體隱藏起來的隱形斗篷。這兩方面的報導常可在新聞中看到。具體的細節可以參考筆者從前寫的一篇文章。

上述各種研究所談的都是光波或電磁波,但其實聲波或彈性波的特性與電磁波非常類似,可使用同樣的手法處理。藉著製造週期性的彈性材料,例如週期性的混搭兩種彈性係數與質量密度不同的材料,也可以製造出「聲子晶體(phononic crystals,或稱 sonic crystals)」,像控制光波一樣地控制聲波與彈性波(例如使用頻隙效應做防震)。此外,若是把「聲波共振器」做週期性的排列,人們也可以做出聲波版本的超材料,可用以設計聲波版的超級透鏡或聲波斗篷。

上述的介紹或許會讓讀者以為這些能控制光的週期結構都是人造的,這個觀念其實錯了。現在科學家們已在許多生物的身上發現了光子晶體。簡單舉幾個常見的例子:孔雀的羽毛、蝴蝶的翅膀,以及變色龍的皮膚,都被發現隱藏著特定的週期結構。換句話說,光子晶體就是牠們得以美麗以及迅速變化偽裝的秘密。

光子晶體以及相關的聲子晶體以及超材料研究,在當前依然非常火熱。許多概念已經釐清,某些夢想已經實現,還有一些設計的元件已經有小幅度的商業化。本文只對光子晶體概念做了最粗淺的介紹,有許多近年來的重要發展,例如光子晶體在太陽能電池研究中的應用,都沒有辦法仔細介紹。有興趣的讀者可以試著從參考資料以及相關的網路資料中去進一步的尋找想知道與想學習的材料。

參考資料

  1. Yablonovitch, E., Photonic crystals: semiconductors of light, Sci Am., Vol. 285(6):47-51, 54-5., 2001.
  2. 欒丕綱,〈現代光學隱形術—從隱形斗篷到變換光學〉,《科學月刊》,508期,277 頁,2012年
  3. Teyssier, J. et al., Photonic crystals cause active colour change in chameleons, Nature Communications, Vol. 6: 6368, 2015.

FORNT本文選自《科學月刊》2015年5月號

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