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世界最快顯微鏡問世 阿秒瞬間捕捉電子運動

顯微觀點_96
・2024/11/11 ・1726字 ・閱讀時間約 3 分鐘

本文轉載自顯微觀點

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圖/顯微觀點

穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscope, TEM)的出世,將物體放大數百萬倍,讓科學家得幾看見小至 0.1 奈米的樣本結構。但是「看得小還要看得快」,若要看到電子的運動軌跡,還得快速捕捉才能看得清楚。

美國亞利桑那大學(University of Arizona)物理與光學系副教授哈山(Mohammed Th. Hassan)率領的研究團隊,日前開發了世界上最快的電子顯微鏡,小至 1 阿秒(attosecond)的解析度,能更精確地捕獲分子內的電子快速運動。

2023年諾貝爾物理學獎頒給法國物理學家皮耶.阿戈斯提尼(Pierre Agostini)、匈牙利/奧地利物理學家費倫茨.克勞斯(Ferenc Krausz)和法國/瑞典物理學家安妮.呂利耶(Anne L’Huillier),表彰他們「發展出產生阿秒光脈衝的實驗方法,得以研究物質中的電子動力學」。哈山團隊便是以此技術為基礎進行研究開發。

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21 世紀初,首次出現了具有奈秒(nanosecond)解析度的電子顯微鏡,以對雷射誘導的鎳金屬熔化和鈷塊體的形態變化進行成像,在這之後許多研究工作都集中在提高電子顯微鏡的時間解析度。

2008 年,電子顯微鏡的時間解析度提高到亞皮秒,亦即比皮秒(picosecond)還要小的時間尺度,擴展了電子顯微鏡對更快的分子和原子運動進行成像的能力。而透過連續和脈衝雷射光束的閘控技術,可將時間解析度提高到亞飛秒的時間尺度,記錄數阿秒的平均動態影片。

但這樣的阿秒脈衝序列僅限於成像週期性動力學,對非週期性的運動,如電荷遷移、電子運動等須將探測限制為單一事件的研究,則需要產生(使用)單一阿秒電子脈衝。

哈山團隊開發的顯微鏡,使用雷射將電子束切割成兩個超短脈衝。第一個脈衝稱為泵浦脈衝(pump pulse),將能量注入樣品並導致電子移動或其他快速變化;第二個脈衝稱為光閘脈衝(optical gating pulse),創造一個短暫時間視窗,產生閘控的單一阿秒電子脈衝。仔細同步兩個脈衝,研究人員就可以控制電子脈衝何時探測樣品。

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World Fastes Microscope
閘控光束被引導至發生電子閘控和阿秒電子脈衝產生的樣品位置,用於記錄影像(衍射/直接)以探測物質的電子動力學。圖/Attosecond electron microscopy and diffraction

就像相機上的快門一樣,這些脈衝也使團隊能夠每 625 阿秒捕捉一張石墨烯片中電子的新影像,時間解析度大約是現有技術的一千倍。

團隊也提到許多實驗因素對於執行阿秒電子成像實驗至關重要,例如:雷射的高重複率,以閘控大量電子;以及雷射光束的高穩定性強度來實現顯微鏡中的低訊噪比等。

「當你獲得最新一代的智慧型手機時,通常配備更好的相機」,哈山表示新開發的穿透式電子顯微鏡就像最新智慧型手機搭載非常強大的相機。

「現在使用我們的電子透射顯微鏡首次能夠達到阿秒級的時間解析度,我們稱之為『阿秒顯微術』。這是第一次,我們可以看到電子在運動中的樣態」,哈山說道。

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而新開發的電子顯微鏡可以即時拍攝、控制化學和生化反應,預期也將對材料合成、藥物設計和個人化醫療領域的研究產生助益。

時間的數量級

  • 阿秒(as):10-18 秒
  • 飛秒(fs):10-15 秒
  • 皮秒(ps):10-12 秒
  • 奈秒(ns):10-9 秒
  • 微秒(µs):10-6 秒
  • 毫秒(ms):10-3 秒

參考資料:

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顯微觀點_96
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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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人與 AI 的關係是什麼?走進「2024 未來媒體藝術節」,透過藝術創作尋找解答
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/10/24 ・3176字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文與財團法人臺灣生活美學基金會合作。 

AI 有可能造成人們失業嗎?還是 AI 會成為個人專屬的超級助理?

隨著人工智慧技術的快速發展,AI 與人類之間的關係,成為社會大眾目前最熱烈討論的話題之一,究竟,AI 會成為人類的取代者或是協作者?決定關鍵就在於人們對 AI 的了解和運用能力,唯有人們清楚了解如何使用 AI,才能化 AI 為助力,提高自身的工作效率與生活品質。

有鑑於此,目前正於臺灣當代文化實驗場 C-LAB 展出的「2024 未來媒體藝術節」,特別將展覽主題定調為奇異點(Singularity),透過多重視角探討人工智慧與人類的共生關係。

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C-LAB 策展人吳達坤進一步說明,本次展覽規劃了 4 大章節,共集結來自 9 個國家 23 組藝術家團隊的 26 件作品,帶領觀眾從了解 AI 發展歷史開始,到欣賞各種結合科技的藝術創作,再到與藝術一同探索 AI 未來發展,希望觀眾能從中感受科技如何重塑藝術的創造範式,進而更清楚未來該如何與科技共生與共創。

從歷史看未來:AI 技術發展的 3 個高峰

其中,展覽第一章「流動的錨點」邀請了自牧文化 2 名研究者李佳霖和蔡侑霖,從軟體與演算法發展、硬體發展與世界史、文化與藝術三條軸線,平行梳理 AI 技術發展過程。

圖一、1956 年達特茅斯會議提出「人工智慧」一詞

藉由李佳霖和蔡侑霖長達近半年的調查研究,觀眾對 AI 發展有了清楚的輪廓。自 1956 年達特茅斯會議提出「人工智慧(Artificial Intelligence))」一詞,並明確定出 AI 的任務,例如:自然語言處理、神經網路、計算學理論、隨機性與創造性等,就開啟了全球 AI 研究浪潮,至今將近 70 年的過程間,共迎來三波發展高峰。

第一波技術爆發期確立了自然語言與機器語言的轉換機制,科學家將任務文字化、建立推理規則,再換成機器語言讓機器執行,然而受到演算法及硬體資源限制,使得 AI 只能解決小問題,也因此進入了第一次發展寒冬。

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圖二、1957-1970 年迎來 AI 第一次爆發

之後隨著專家系統的興起,讓 AI 突破技術瓶頸,進入第二次發展高峰期。專家系統是由邏輯推理系統、資料庫、操作介面三者共載而成,由於部份應用領域的邏輯推理方式是相似的,因此只要搭載不同資料庫,就能解決各種問題,克服過去規則設定無窮盡的挑戰。此外,機器學習、類神經網路等技術也在同一時期誕生,雖然是 AI 技術上的一大創新突破,但最終同樣受到硬體限制、技術成熟度等因素影響,導致 AI 再次進入發展寒冬。

走出第二次寒冬的關鍵在於,IBM 超級電腦深藍(Deep Blue)戰勝了西洋棋世界冠軍 Garry Kasparov,加上美國學者 Geoffrey Hinton 推出了新的類神經網路算法,並使用 GPU 進行模型訓練,不只奠定了 NVIDIA 在 AI 中的地位, 自此之後的 AI 研究也大多聚焦在類神經網路上,不斷的追求創新和突破。

圖三、1980 年專家系統的興起,進入第二次高峰

從現在看未來:AI 不僅是工具,也是創作者

隨著時間軸繼續向前推進,如今的 AI 技術不僅深植於類神經網路應用中,更在藝術、創意和日常生活中發揮重要作用,而「2024 未來媒體藝術節」第二章「創造力的轉變」及第三章「創作者的洞見」,便邀請各國藝術家展出運用 AI 與科技的作品。

圖四、2010 年發展至今,高性能電腦與大數據助力讓 AI 技術應用更強

例如,超現代映畫展出的作品《無限共作 3.0》,乃是由來自創意科技、建築師、動畫與互動媒體等不同領域的藝術家,運用 AI 和新科技共同創作的作品。「人們來到此展區,就像走進一間新科技的實驗室,」吳達坤形容,觀眾在此不僅是被動的觀察者,更是主動的參與者,可以親身感受創作方式的轉移,以及 AI 如何幫助藝術家創作。

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圖五、「2024 未來媒體藝術節——奇異點」展出現場,圖為超現代映畫的作品《無限共作3.0》。圖/C-LAB 提供

而第四章「未完的篇章」則邀請觀眾一起思考未來與 AI 共生的方式。臺灣新媒體創作團隊貳進 2ENTER 展出的作品《虛擬尋根-臺灣》,將 AI 人物化,採用與 AI 對話記錄的方法,探討網路發展的歷史和哲學,並專注於臺灣和全球兩個場景。又如國際非營利創作組織戰略技術展出的作品《無時無刻,無所不在》,則是一套協助青少年數位排毒、數位識毒的方法論,使其更清楚在面對網路資訊時,該如何識別何者為真何者為假,更自信地穿梭在數位世界裡。

透過歷史解析引起共鳴

在「2024 未來媒體藝術節」規劃的 4 大章節裡,第一章回顧 AI 發展史的內容設計,可說是臺灣近年來科技或 AI 相關展覽的一大創舉。

過去,這些展覽多半以藝術家的創作為展出重點,很少看到結合 AI 發展歷程、大眾文明演變及流行文化三大領域的展出內容,但李佳霖和蔡侑霖從大量資料中篩選出重點內容並儘可能完整呈現,讓「2024 未來媒體藝術節」觀眾可以清楚 AI 技術於不同階段的演進變化,及各發展階段背後的全球政治經濟與文化狀態,才能在接下來欣賞展區其他藝術創作時有更多共鳴。

圖六、「2024 未來媒體藝術節——奇異點」分成四個章節探究 AI 人工智慧時代的演變與社會議題,圖為第一章「流動的錨點」由自牧文化整理 AI 發展歷程的年表。圖/C-LAB 提供

「畢竟展區空間有限,而科技發展史的資訊量又很龐大,在評估哪些事件適合放入展區時,我們常常在心中上演拉鋸戰,」李佳霖笑著分享進行史料研究時的心路歷程。除了從技術的重要性及代表性去評估應該呈現哪些事件,還要兼顧詞條不能太長、資料量不能太多、確保內容正確性及讓觀眾有感等原則,「不過,歷史事件與展覽主題的關聯性,還是最主要的決定因素,」蔡侑霖補充指出。

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舉例來說,Google 旗下人工智慧實驗室(DeepMind)開發出的 AI 軟體「AlphaFold」,可以準確預測蛋白質的 3D 立體結構,解決科學家長達 50 年都無法突破的難題,雖然是製藥或疾病學領域相當大的技術突破,但因為與本次展覽主題的關聯性較低,故最終沒有列入此次展出內容中。

除了內容篩選外,在呈現方式上,2位研究者也儘量使用淺顯易懂的方式來呈現某些較為深奧難懂的技術內容,蔡侑霖舉例說明,像某些比較艱深的 AI 概念,便改以視覺化的方式來呈現,為此上網搜尋很多與 AI 相關的影片或圖解內容,從中找尋靈感,最後製作成簡單易懂的動畫,希望幫助觀眾輕鬆快速的理解新科技。

吳達坤最後指出,「2024 未來媒體藝術節」除了展出藝術創作,也跟上國際展會發展趨勢,於展覽期間規劃共 10 幾場不同形式的活動,包括藝術家座談、講座、工作坊及專家導覽,例如:由策展人與專家進行現場導覽、邀請臺灣 AI 實驗室創辦人杜奕瑾以「人工智慧與未來藝術」為題舉辦講座,希望透過帶狀活動創造更多話題,也讓展覽效益不斷發酵,讓更多觀眾都能前來體驗由 AI 驅動的未來創新世界,展望 AI 在藝術與生活中的無限潛力。

展覽資訊:「未來媒體藝術節——奇異點」2024 Future Media FEST-Singularity 
展期 ▎2024.10.04 ( Fri. ) – 12.15 ( Sun. ) 週二至週日12:00-19:00,週一休館
地點 ▎臺灣當代文化實驗場圖書館展演空間、北草坪、聯合餐廳展演空間、通信分隊展演空間
指導單位 ▎文化部
主辦單位 ▎臺灣當代文化實驗場

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