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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。”

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。

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。

“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

 

 

文章難易度
only-perception
153 篇文章 ・ 1 位粉絲
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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解析「福衛七號」的觀測原理——它發射升空後,如何讓天氣預報更準確?

科技大觀園_96
・2021/10/25 ・2915字 ・閱讀時間約 6 分鐘

2019 年 6 月 25 日,福爾摩沙衛星七號(簡稱福衛七號)在國人的引頸期盼下升空。一年多來(編按:以原文文章發佈時間計算),儘管衛星還沒有全部轉換到預定的軌道,但已經回傳許多資料,這些資料對於天氣預報的精進,帶來很大的助益。中央大學大氣系特聘教授黃清勇及團隊成員楊舒芝教授、陳舒雅博士最近的研究主題,就是福衛七號傳回的資料,對天氣預報能有哪些改善。

掩星觀測的原理

要介紹福衛七號帶來的貢獻,得先從它的上一代──福衛三號說起。福衛三號包含了 6 顆氣象衛星,軌道高度 700~800 公里,以 72 度的傾角繞著地球運轉(繞行軌道與赤道夾角為 72 度)。這些衛星提供氣象資訊的方式,是接收更高軌道(約 20,200 公里)的 GPS 衛星所放出的電波,這些電波在行進到氣象衛星的路程中,會從太空進入大氣,並產生偏折,再由氣象衛星接收。換句話說,氣象衛星接收到的電波並不是走直線傳遞來的,而是因為大氣的折射,產生了偏折,藉由偏折角可推得大氣資訊。

▲低軌道衛星(如福衛三號)持續接收 GPS 衛星訊號,直到接收不到為止,整個過程會轉換成一次掩星事件,讓科學家取得大氣溫濕度垂直分佈。圖/黃清勇教授提供

氣象衛星會一邊移動,一邊持續接收電波,直到接收不到為止,在這段過程中,電波穿過的大氣從最高層、較稀薄的大氣,逐漸變為最底層、最接近地面的大氣,科學家能將這段過程中每一層大氣所造成的偏折角,通過計算回推出折射率,而折射率又和大氣溫度、水氣、壓力有關  ,因此可再藉由每個高度的大氣折射率,得出溫濕度垂直分布,這種觀測方式稱為「掩星觀測」。掩星觀測所得到的資料,可以納入數值預報模式,進一步做各種預報分析。 

資料同化──觀測與模式的最佳結合

在將掩星觀測資料納入數值預報模式時,必須先經過「資料同化」的過程。數值預報模式內含動力方程式,可以模擬任何一個位置的氣塊的運動,但是因為大氣環境非常複雜,模擬時不可能納入全部的動力條件,因此模擬結果不一定正確。而另一方面,掩星觀測資料提供的是真實觀測資訊,楊舒芝形容:「觀測就像拿著照相機拍照,不管什麼動力方程式,拍到什麼就是什麼。」但是,觀測的分布是不均勻的—唯有觀測過的位置,我們才會有觀測資料。

所以,我們一手擁有分布不均勻但很真實的觀測資料,另一手擁有很全面但可能不太正確的模式模擬。資料同化就是結合這兩者,找到一個最具代表性的大氣初始分析場,再以這個分析場為起點,去做後續的預報。資料同化正是楊舒芝和陳舒雅的重點工作之一。 

中央大學分別模擬 2010 年梅姬颱風和 2013 年海燕颱風的路徑,發現加入福三掩星觀測資料之後,可以降低颱風模擬路徑的誤差。圖/黃清勇教授提供

由於掩星觀測取得的資料與大氣的溫度、濕度、壓力有密切關係,因此在預報颱風、梅雨或豪大雨等與水氣量息息相關的天氣時,帶來重要的幫助。黃清勇的團隊針對福衛三號的掩星觀測資料對天氣預報的影響,做了許多模擬與研究,發現在預測颱風或氣旋生成、預報颱風路徑,以及豪大雨的降雨區域及雨量等,納入福衛三號的掩星觀測資料,都能有效提升預報的準確度。

黃清勇進一步說明,由於颱風都是在海面上生成的,而掩星觀測技術仰賴的是繞著地球運行的衛星來收集資料,相較於一般位於陸地上的觀測站,更能夠取得海上大氣資料,因此對於預測颱風的生成有很好的幫助。另一方面,這些資料也能幫助科學家掌握大氣環境,例如對於太平洋高壓的範圍抓得很準確,那麼對颱風路徑的預測自然也會更準。根據團隊的研究,加入福衛三號的掩星觀測資料,平均能將 72 小時颱風路徑預報的誤差減少約 12 公里,相當於改進了 5%。

豪大雨的預測則不只溫濕度等資訊,還需要風場資訊的協助,楊舒芝以 2008 年 6 月 16 日臺灣南部降下豪大雨的事件做為舉例,一般來說豪大雨都發生在山區,但這次的豪大雨卻集中在海岸邊,而且持續時間很久。為了找出合理的預測模式,楊舒芝探討了如何利用掩星觀測資料來修正風場。 

從 2008 年 6 月 16 日的個案發現,掩星資料有助於研究團隊掌握西南氣流的水氣分佈。上圖 CNTL 是未使用掩星資料的控制組,而 REF 和 BANGLE 皆有加入掩星資料(同化算子不一樣),有掩星資料可明顯改善模擬,更接近觀測值(Observation)。圖/黃清勇教授提供

福衛七號接棒觀測

隨著福衛三號的退休,福衛七號傳承了氣象觀測的重責大任。福衛七號也包含了 6 顆氣象衛星,不過它和福衛三號有些不同之處。

福衛三號是以高達 72 度的傾角繞著地球運轉,取得的資料點分布比較均勻,高緯度地區會比低緯度地區密集一些。相較之下,福衛七號的傾角只有 24 度,它所觀測的點集中在南北緯 50 度之間,對臺灣所在的副熱帶及熱帶地區來說,密集度更高;加上福衛七號收集的電波來源除了美國的 GPS 衛星,還增加了俄國的 GLONASS 衛星,這些因素使得在低緯度地區,福衛七號所提供的掩星觀測資料將比福衛三號多出約四倍,每天可達 4,000 筆。

福衛三號與福衛七號比較表。圖/fatcat 11 繪

另一方面,福衛七號的軟硬體比起福衛三號更加先進,可以獲得更低層的大氣資料,而因為水氣主要都集中在低層,所以福衛七號對水氣掌握會比福衛三號更具優勢。

從福衛三號到福衛七號,其實模式也在逐漸演進。早期的模式都是納入「折射率」進行同化,而折射率又是從掩星觀測資料測得的偏折角計算出來的。「偏折角」是衛星在做觀測時,最直接觀測到的數據,相較之下,折射率是計算出來的,就像加工過的產品,一定有誤差。因此,近來各國學者在做數值模擬時,愈來愈多都是直接納入偏折角,而不採用折射率。黃清勇解釋:「直接納入偏折角會增加模式計算的複雜度,也會增加運算所需的時間,而預報又是得追著時間跑的工作,因此早期才會以折射率為主。」不過現在由於電腦的運算能力與模式都已經有了進步,因此偏折角逐漸成為主流的選擇。 

由左至右依序為,楊舒芝教授、黃清勇特聘教授、陳舒雅助理研究員。圖/簡克志攝

福衛七號其實還沒有全部轉換到預定的軌道,不過這一年多來的掩星觀測資料,已經讓中央氣象局對熱帶地區的天氣預報,準確度提升了 4~10%;陳舒雅也以今年 8 月的哈格比颱風為案例,成功地利用福衛七號的掩星觀測資料,模擬出哈格比颱風的生成。

除了福衛七號,還有一顆稱為「獵風者」的實驗型衛星,預計 2022 年將會升空。獵風者的任務是接收從地表反射的 GPS 衛星電波,然後推估風速。可以想見,一旦有了獵風者的加入,我們對大氣環境的掌握度勢必更好,對於颱風等天氣現象的預報也能更加準確。就讓我們一起期待吧!

科技大觀園_96
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