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可調式石墨烯裝置:首個使兆赫(THz)光線變有用的工具

only-perception
・2011/09/07 ・1490字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 561 ・九年級

 

長波長 terahertz(THz,兆赫)光不為人眼所見 — 那在遠紅外線最遙遠的那一端 — 不過,那對於在機場偵測爆裂物、設計藥物到診斷皮膚癌的每一件事都很有用。現在,美國能源部 LBNL(Berkeley Lab)以及加州大學柏克萊分校的科學家證明,一種以石墨烯 — 這種突出的碳形態只有一個原子厚 — 製成的微米級裝置,其對於頻率在 terahertz 之光線的強烈反應,能以精細的精確度調整之。

“我們裝置的核心是一個僅以幾百萬分之一公尺寬的石墨烯帶製成的陣列,” 柏克萊實驗室材料科學部門的王楓(Feng Wang)表示,他也是 UC Berkeley 的物理學助教授,他領導這個研究團隊。”藉由改變石墨烯帶的「寬度」以及其中「電荷載體的濃度」,我們能控制電子在微米帶(microribbons)中的集體振盪(collective oscillations)。”

像這樣的電子集體振盪有個名字,叫做「電漿子(plasmons)」,一個聽起來頗抽象的名詞,不過描述的效應卻如同彩色玻璃窗中發出的明亮色彩般熟悉。

“在高頻可見光中的電漿子發生在三維金屬奈米結構中,” 王楓表示。例如中世紀的彩色玻璃,起因於電子在金、銅以及其他金屬之奈米粒子的表面上集體振動所致,且與它們尺寸及形狀相依。”不過石墨烯只有一個原子厚,而其電子只能以二維方式移動。在 2D 系統中,電漿子發生在非常低的頻率上。”

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Terahertz 輻射的波長經測量約幾百微米,然而在實驗裝置中每條石墨烯帶的寬度只有 1 到 4 微米。

“一種由尺寸遠小於相對波長的結構所組成,且其所展現的光線特性迥異於大塊材料的材料,稱為超材料(metamaterial),” 王楓說。”故我們不僅完成了光與電漿子在石墨烯中耦合的第一個研究,在 terahertz 範圍內,我們也創造出未來基於石墨烯之超材料的原型。”

該團隊在 Nature Nanotechnology 中報告他們的研究,那目前可由 AOP 取得。

如何推動電漿子

在二維石墨烯中,電子的靜止質量很小且迅速回應電場。電漿子描述許多電子的集體振盪,而其頻率則依據這個電子海中的波浪在石墨烯微米帶的邊界之間來回晃動(slosh)的速度有多快。當施加頻率相同的光,其結果是「共振激發(resonant excitation)」 — 以及對於該頻率光線的同時強烈吸收(simultaneous strong absorption)。因此,振盪頻率是由微米帶的「寬度」所決定,改變其寬度能調整系統吸收不同頻率的光線。

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光–電漿子耦合的強度也會受道電荷載體(電子與電洞)濃度的影響。石墨烯一項突出的特徵是,其電荷載體的濃度只要施加一強電場就能輕易的增加或減少 — 此即所謂的靜電摻雜(electrostatic doping)。

這個柏克萊裝置將這些方法一併納入,用以調整對於 terahertz 光線的回應。微米帶陣列的製作,是將一個原子厚的一層碳沈積在銅薄片上,然後將石墨烯層轉移到氧化矽基質上,然後蝕刻出帶狀圖案。具接點以改變電壓的離子膠則被置於石墨烯之上。

守門的石墨烯微陣列在 beamline 1.4 的 Berkeley Lab 的先進光源(ALS)處以 terahertz 輻射照射,而傳輸測量則使用 beamline 的紅外線光譜儀。在這種方式下,研究團隊證明,光與電漿子之間的耦合比其他 2D 系統強上一個數量級。

控制電漿子強度以及 terahertz 吸收的最終方法依賴偏振(polarization)。根據頻率,當照射的光線與石墨烯帶方向相同時,吸收並無變化。但光線與微米帶成直角時 — 與振盪的電子海同方向 — 則產生陡峭的吸收峰值。此外,在傳統 2D 半導體系統中的光吸收,例如量子井,只能在接近絕對零度的溫度下測量。而柏克萊團隊則在室溫下測得突出的吸收峰值。

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“Terahertz 輻射含括一段難以運用的光譜範圍,因為到目前為止這邊沒有工具可用,” 王楓說。”現在我們剛開始有了一組工具箱,可在此範圍內運用,有可能導致各式各樣基於石墨烯的 terahertz 超材料。”

此柏克萊實驗設置只是未來某種裝置的先驅,那將能控制偏振並修改 terahertz 光線的強度,並使其他光學與電子元件能用在醫療成像到天文學的一系列應用中 — 全都在二維內。

資料來源:PHYSORG: Tunable graphene device demonstrated: First tool in kit for putting terahertz light to work [September 4, 2011]

原發表於 only-perception

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only-perception
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妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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物聯網世代資安保護的熱門選擇——新型「加密金鑰」PUF 技術
科技大觀園_96
・2022/02/06 ・1831字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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隨著萬物聯網時代到來,越來越多數據以數位化方式儲存共享,架構安全性也越來越受到重視。就在今年 5 月,美國賓州大學研究團隊開發出一種基於石墨烯的 PUF(Physically Unclonable Function),能夠有效防範利用 AI 模型的新型攻擊,使加密金鑰更難以被破解。

石墨烯是一種由碳原子以 sp2 混成軌域組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一個碳原子厚度的二維材料。圖/pixabay

什麼是 PUF?

要解釋什麼是 PUF,就得先理解物聯網(Internet of Things , IoT)的概念。簡單來說,物聯網就是讓設備裝上感測器、軟體及技術來相互連接傳輸資料所形成的網路,是很多產業智慧化的基礎,然而很容易就可以想像這種便利性同時也帶來更高的資安風險,由於物聯網設備涵蓋的領域相當廣泛,駭客從許多層面都可以發動攻擊。

物聯網是讓設備相互連接傳輸資料所形成的網路。圖/pixabay

過去談到物聯網的資訊安全,許多人都會先想到軟體及網路加密連線,但其實除了網路層面的安全防護,實體設備同樣存在著威脅。一旦出現仿冒晶片或其他問題,駭客就可能透過網路遠端控制設備獲得金鑰和其他敏感資訊,進而造成企業損失。以軟體為主的資安設計已不再足以提供全面保障,這也是為什麼基於硬體的安全技術開始逐年受到青睞。

全名為「物理不可仿製功能」 的 PUF 就是這樣一種硬體安全技術。透過半導體製程中引入的隨機變數,讓晶片在微觀結構上產生些許差異,在變數無法預測及控制的情況下,複製該晶片成為幾乎不可能的事,減少遭人逆向工程或操作的擔憂。這樣的隨機性、唯一性及不可複製性,讓 PUF 彷彿成為一種「晶片指紋」的存在,因此自然也變成新世代資安「零信任」(Zero Trust)架構下的熱門選擇。

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不同於傳統資訊加密技術將密鑰儲存在設備的方式,PUF 技術主要使用一個客製應用積體電路(Application Specific Integrated Circuit , ASIC)或現場可程式閘陣列(Field Programmable Gate Array , FPGA)就可以完成,透過製造時挑戰/反應數據庫(Challenge/Response)的建立,便能在無須加密認證演算法的情況下對設備進行驗證,防止身分被竊取、竄改的同時,也免除了將私鑰儲存在設備的額外成本以及金鑰遺失的風險。

自 2013 年開始,PUF 已經開始逐漸受到重視,只是就像所有的密碼學應用一樣,儘管 PUF 技術存在著這些驚人特性,駭客攻擊手法也仍在持續演化中。國外一些研究已經證明,透過機器學習,AI 技術還是可能預測出密鑰並獲取數據,因此針對 PUF 技術的改良研發也仍在持續進步中。

以賓州大學團隊 5 月公布在《 Nature Electronics 》的最新研究為例,工程科學與力學助理教授 Saptarshi Das 就進一步結合了石墨烯(Graphene)的諸多特性,開發出一種新型低功耗、可擴展及可重構的 PUF,在面對 AI 攻擊時也能保持顯著彈性不易被入侵。

據研究人員表示,透過石墨烯獨特的物理和電學性質,新型 PUF 更加節能、可延展,即使受到 AI 攻擊試圖預測金鑰,受損的系統也可以在不需要額外硬體或更換元件的情況下重新配置過程並生成新密鑰,藉此有效抵抗對傳統矽製 PUF 構成威脅的 AI 攻擊。

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隨著物聯網走入各大產業、設備數量大規模增長,可想見更嚴峻的資安挑戰也即將到來。目前國內廠商及研究團隊許多針對 PUF 的努力正在進行,除了矽智財知名大廠力旺開發的 NeoPUF 技術,成功大學電機系張順志教授進行的研究也是其中之一。

在「具高安全性且低耗能之物聯網晶片電路及系統之分析、設計及實作」整合型計劃中,張教授希望透過超低功耗之類比數位轉換器設計技術及內建物理密鑰技術、 AI 輔助訊號轉換電路設計技術的研發,來提升物聯網晶片的安全性與穩定性。據了解,該項目已經進入後期階段,將基於先前的經驗嘗試完成整個物聯網系統的實體整合與量測驗證。

資料來源

  1. 初探物聯網安全趨勢下PUF晶片安全發展機會|跨域資安強化產業推動計畫網站 ACW
  2. 具高安全性且低耗能之物聯網晶片電路及系統之分析、設計及實作-子計畫三:應用於高安全性且低耗能物聯網系統的類比至數位轉換器之研製( I )
  3. Stabilization in Physically Unclonable Constants
  4. Graphene key for novel hardware security | Penn State University

科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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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 ・SR值 623 ・十年級

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。

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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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活躍星系核_96
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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