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磁振子學:奈米級自旋波能取代微波

only-perception
・2011/09/11 ・752字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 584 ・九年級

 一群來自瑞典 Gothenburg 大學與 Royal Institute of Technology(KTH)的科學家已成為世上第一個證明關於奈米級自旋波(spin waves)的理論與觀察相符的小組。這開闢新的道路,能以更小、更便宜以及所需資源更少的元件,取代許多應用裡的微波技術,例如行動電話與無線網路。這項研究已發表在科學期刊 Nature Nanotechnology 中,奈米科學中最著名的期刊。

“我們與其他二個研究小組角逐成為第一個在實驗上證實理論性預測的小組,這些預測在近十年前首度出現。我們之所以成功,是因為我們建構磁性奈米接點(magnetic nanocontacts)的方法以及在我們夥伴實驗室那邊的特殊顯微鏡(位於義大利的 Perugia 大學),” Gothenburg 大學物理系的 Professor Johan Akerman 表示,在此他領導應用自旋電子學小組。

此研究計畫(那始於二年前)的目標,是要證明來自磁性奈米接點的自旋波傳播。去年秋天,該小組在電性測量的協助下已能證明自旋波的存在,而成果已發表在科學期刊 Physical Review Letters 上。而新成果則發表在 Nature Nanotechnology ,奈米科學中最知名的期刊。

研究小組利用世上三套先進自旋波顯微鏡的其中一套(位於義大利 Perugia 鎮的大學),將運動視覺化。這套顯微鏡使他們能以大約 250 奈米的解析度看見元件的動態特性。

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這些結果為新的研究領域,稱為「磁振子學(magnonics)」,開闢道路。

“我認為我們的研究結果將發出磁振子元件(magnonic components)與電路開始迅速發展的訊號。令人格外振奮的是,這些元件是由簡單的直流電供電,那接著在微波領域中被轉換成自旋波。這些波的頻率能直接以電流控制。這將使得全新功能成為可能,” Johan Akerman 表示,他正前瞻接下來幾年令人振奮的發展。

它的磁光(magneto-optical)與金屬特性意味著磁振子科技能與傳統基於微波的電子電路整合,而這將使得完全不曾嘗試過的技術結合成為可能。磁振子元件傳統微波技術更適合微型化。

資料來源:PHYSORG: Nanoscale spin waves can replace microwaves [September 7, 2011]

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轉載自 only-perception

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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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凍傷了?來微波加熱一下~
胡中行_96
・2023/02/20 ・1975字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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俄羅斯西伯利亞的科學家,於 2023 年 1 月的《科學報告》(Scientific Reports)期刊上,發表了一些看似能防止烤雞的外皮過焦,同時確保內部肉質鮮美多汁的技巧。比方說,一般作法「由外部加溫很危險,不是每次都能得到正向的結果…」。若改用微波,則「所需的溫度相對不高」,但要力求整體均衡,「不能只有外層受熱」。遺憾他們說了半天,卻跟食物無關,其實是在介紹如何安全又有效地,用特製的微波裝置,治療凍傷患者的四肢。[1]

當然不是把凍傷患者,丟進家用微波爐裡。圖/osseous on Flickr(CC BY 2.0)

微波的對象與裝置

就像料理烤雞,得先弄來雞隻和烘烤的設備;進行這項研究前,需要滿足兩個條件:

  1. 招募凍傷的人:在氣候冷冽的西伯利亞,要造成凍傷,難度並不高。不過,根據《赫爾辛基宣言》(Declaration of Helsinki),人體試驗應該符合倫理,將志願者可能受到的傷害降至最低。[2]不能隨便把人往雪地扔的研究團隊,在當地 Tomsk 市的 2 家醫院守株待兔,期望意外凍傷的人自己找上門。2018 至 2021 年間,每年的冬季他們都耐心等候,總共蒐集到 14 名超過 20 歲的男性,簽署受試同意書。[1]
  2. 製作微波裝置:研究團隊精心打造的裝置(下圖),簡單來說,就是一台方便手腳伸進去加熱的微波爐。前面的圓形入口,包覆著具隔絕效果的金屬材質,以保護傷患與研究人員,免於非必要的輻射暴露。此裝置的微波頻率為 2.45 吉赫(GHz);而功率可達 200 瓦特(watts;簡寫 W),即每秒產生200 焦耳(joule;縮寫 J)的熱能。[1]換句話說,頻率與家用微波爐無異,功率卻低了數倍。[3]

由於研究團隊只想幫傷患加溫,沒有要煮熟他們的意圖,便設定開到 60 瓦特。再加上操作時,會喪失些許熱能,最後傷患實際接收到的,大約僅有 30 至 40 瓦特每個患部加熱 1 至 3 次,每次 30 分鐘。雖然感覺微溫,但不至於難受。9 名傷患接受上述治療;另外 4 個嘗試了不同的功率;還有 1 人則是時間長度減半。[1]

可以把手腳伸進去加熱的微波爐。圖/參考資料 1,Figure 2(CC BY 4.0)

加溫的原理

平均而言,當人體組織的溫度低於攝氏 15 度左右,血液和淋巴循環會停止。身體各部位略有差異,手指的下限是 19 度;而腳趾為 15 度。為凍傷患者回溫時,目標溫度大約是 20 到 25 度上下,要觸及整個患部,而非僅有表層。讓身體恢復運作,才能透過循環,順利輸送藥物。以往從外部加溫的作法,會舒張表層血管,卻容易在深層血管收縮的情況下,導致壞死和截肢等問題。相對地,低功率的微波可以穿透到組織深層,逐漸舒張血管,促進血液與淋巴的循環,不會有上述副作用。[1]

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天寒地凍的西伯利亞 Tomsk 市。圖/Артём Полоз on Wikimedia Commons(CC BY-SA 4.0)

凍傷的等級

凍傷依照程度,可以分為 4 個等級:[4]

  1. 第一級:麻木、脫屑、感覺異常、中央蒼白,以及周圍水腫或紅腫。[4]
  2. 第二級:起水泡,周圍紅腫或水腫。[4]
  3. 第三級:失去整層皮膚組織,還長了出血性水泡。[4]
  4. 第四級:不僅皮膚,連深層組織都喪失了。[4]

微波的療效

此研究受試者的凍傷程度涵蓋上述四級,治療時除了微波,也採用標準療程的消毒與藥物,並視情況選擇是否手術。整體來說,科學家對微波相當滿意,覺得能降低截肢的機率。此外,雖然第一、二級的傷勢輕微,效果比較不明顯;但是他們認為無論初步評估的凍傷程度,每個傷患最好都要接受微波。因為診斷難免失準,若因此錯過治療時機,實在得不償失。[1]

既然如此,未來遇到凍傷患者,是不是都該抓來微波一下?儘管研究證明了科學家的假設似乎可行,目前的受試者就區區幾名男性,不足以建立一套完善的操作指南。臨床上不同體型、年紀或性別的傷患,或許適合不同功率或時間長度的微波治療。這些都有待將來進一步試驗,才能推廣運用。[1]

  

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參考資料

  1. Dunaevskiy G, Gavrilin E, Pomytkin A, et al. (2023) ‘Reduction of amputations of frostbitten limbs by treatment using microwave rewarming’. Scientific Reports, 13, 1362.
  2. WMA Declaration of Helsinki – Ethical Principles for Medical Research Involving Human Subjects’. (06 SEP 2022) World Medical Association.
  3. Radiation: Microwave ovens’. (01 JUN 2005) World Health Organization.
  4. Basit H, Wallen TJ, Dudley C. (27 JUN 2022) ‘Frostbite’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.

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活躍黑洞的炙熱遺跡:費米泡泡
EASY天文地科小站_96
・2022/04/29 ・4611字 ・閱讀時間約 9 分鐘

  • 作者:林彥興|EASY 天文地科小站主編、清大天文所碩士生,努力在陰溝中仰望繁星
圖/ESA/Gaia/DPAC; H.-Y. Karen Yang; NASA visualization team.

你看過銀河嗎?

如果你在晴朗的夏日午夜旅行到沒有光害的山上,將會看到天上有一條淡淡的、若有似無的亮帶,好像一條薄薄的雲橫跨夜空,它正是我們所居住的星系 ── 銀河系(Milky Way)的盤面。在數位相機的加持之下,我們還能看到這薄薄的盤面上,其實布滿恆星、星雲、以及塵埃帶,複雜、深邃而美麗。

美麗的銀河。圖/陳子翔(CC BY-NC-ND 4.0)拍攝於清境。

但如果,你有一雙能夠看到「伽瑪射線」的眼睛,你將看到兩個視角高 50 度、寬 40 度的巨大橢圓形「泡泡」,矗立於銀河盤面兩側。它們名為「費米泡泡 Fermi Bubbles」,是銀河系中巨大且神祕的結構之一。

費米泡泡的起源,以及存在的意義,一直是過去十多年來,天文學家相當關注的研究主題。

費米泡泡示意圖。圖/NASA’s Goddard Space Flight Center

最近(2022 年 3 月),一篇刊登於《自然天文學》(Nature Astronomy)的研究顯示,壯闊的費米泡泡很可能源自兩百多萬年前,銀河系中心超大質量黑洞的一次能量爆發。

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費米泡泡的發現

當我們一聽到「費米泡泡」這個詞,腦海中浮現的第一個問題往往是:

「費米是誰?這個泡泡跟他有什麼關係?」

在物理界,恩里科.費米(Enrico Fermi)這個名字可謂家喻戶曉。他是 20 世紀初最重要的物理學家之一,曾參與曼哈頓計畫,設計與建造世上第一個核子反應爐和原子彈;並且在量子力學、核子物理、粒子物理和統計力學都貢獻卓越。後世以他命名的物理概念、研究計畫不計其數。這之中,就包含「費米伽瑪射線太空望遠鏡 Fermi Gamma-ray Space Telescope」。

費米太空望遠鏡。圖/NASA

正如其名,費米是一座專門用於觀測伽瑪射線的太空望遠鏡,它於 2008 年發射升空,是軌道上最好的伽瑪射線太空望遠鏡之一。比起前輩們,費米擁有更大的視野、更高的靈敏度和空間解析度,可以看得更廣、更暗、更清楚。

它的主要任務,是不斷的掃視整片天空,繪製伽瑪射線的全天地圖(all sky map),研究黑洞、中子星、超新星等宇宙中最高能的天體。

費米太空望遠鏡的十週年科學成果紀念海報。圖片中橢圓形的區域,就是費米拍攝的伽瑪射線全天圖,以等面積投影法投影成二維的圖。中間的水平亮帶源自銀河盤面上的氣體,上下兩個泡泡狀結構就是費米泡泡的示意圖。圖/NASA

費米太空望遠鏡升空短短兩年後,天文學家就從觀測資料中發現,如果我們將費米的全天伽瑪射線圖中已知的星體(比如銀河系的瀰散氣體、中子星、其他星系等)全部扣除,將會看到銀河中心的上下兩側,各有一對高 50 度、寬 40 度的巨大橢圓形區域,而這是從未發現過的銀河系新結構!

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天文學家於是將它命名為「費米泡泡 Fermi Bubble」,以紀念費米太空望遠鏡的重要貢獻。

相對於銀河系中的瀰散氣體,費米泡泡的亮度其實並不高。因此天文學家必須先小心翼翼的將其他伽瑪射線的來源建模並扣除,才能看到這巨大但黯淡的構造。影/NASA Video

而除了在伽瑪射線看到的費米泡泡之外,天文學家也在微波和 X 射線波段看到了相似的結構。

在微波波段,威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)和普朗克衛星(Planck)都在費米泡泡的位置觀測到兩片橢圓形的明亮區域,天文學家稱之為「微波薄霧 microwave haze」。而在 X 射線波段,2019 年才昇空的義羅西塔(eROSITA)衛星則發現了與費米泡泡相似,但是更大的泡泡狀結構,被稱為「eROSITA 泡泡」。

另外,在紫外線波段,雖然沒辦法直接看見泡泡狀的結構,但天文學家藉由遙遠天體通過費米泡泡中的稀薄氣體時產生的吸收譜線,可以計算出費米泡泡的膨脹速率,大約是每秒數百到數千公里的等級。

綜合以上資料,天文學家認為費米泡泡應該是源自數百萬至一千萬年前,銀河系中心的一次巨大爆炸。這場爆炸大約釋放了 1048 – 1049 焦耳的龐大能量(相當於太陽終其一生釋放的能量,再乘以 10000 倍以上),並加熱了銀河系中心的氣體,使其以每秒數千公里的速度劇烈膨脹。百萬年後的今天,就成為了橫跨數萬光年巨大泡泡。

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但是,這張錯綜複雜的拼圖,還缺少了最核心的一塊:

這麼龐大的能量,究竟是從何而來?

超新星爆發還是黑洞噴流?費米泡泡的身世之謎

費米泡泡剛被發現不久,天文學家就對驅動費米泡泡的核心引擎,提出了兩位候選人:

第一種觀點,認為銀河系中心在數千萬年前可能曾有大量的恆星形成,其中年輕的恆星由於壽命短暫,很快的就走完它的一生,並發生超新星爆炸,釋放出巨大的能量。

另一種觀點,則認為銀河系中心的超大質量黑洞在數百萬年前可能短時間內吃進了大量氣體,並在過程中將能量以噴流(jet)或外流(outflow)的形式釋放出來。

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兩種說法聽起來都頗有可能,而且天文學家都有在其他星系看過類似的現象,那該怎麼知道哪邊才是對的呢?這時,天文學家們就兵分兩路,觀測學家們繼續對費米泡泡進行更多觀測,尋找更多可能的隱藏線索;理論學家則利用電腦模擬,嘗試在電腦中重現出觀測結果。

劇烈的超新星爆發(如左圖的 M82)與黑洞噴流(如右圖的 Centaurus A)都可能產生類似費米泡泡的結構。圖/NASA, ESA, CXC, and JPL-CaltechNASA/CXC/SAO, Rolf Olsen, JPL-Caltech, NRAO/AUI/NSF/Univ.Hertfordshire/M.Hardcastle

早年,兩派假說各有各的優勢,也有各自難以解釋的弱點。但隨著觀測資料的不斷累積,天文學家漸漸發現黑洞的噴流假說似乎更符合觀測結果,因此更具說服力。但即使如此,想要在電腦模擬中一次重現費米泡泡所有的觀測特徵,仍是相當困難的挑戰。

三個願望,一次滿足

然而今(2022)年三月,清大天文所楊湘怡教授利用三維磁流體力學電腦模擬(MHD Simulation),就一次重現了費米泡泡、義羅西塔泡泡與微波薄霧三個重要的觀測特徵。

他們假設銀河系中心的超大質量黑洞,在 260 萬年前曾經朝著銀河系盤面的上下兩側噴出兩道噴流。噴流帶有 1050 焦耳的強大能量,其中含有大量以接近光速運動的高能電子。當這些高能電子與低能量的光子碰撞時,電子會將能量傳遞給光子,就好像被保齡球打到的球瓶一樣,讓光子從低能量的可見光,變成高能量的伽瑪射線。這個被稱為「逆康普頓散射 Inverse Compton Scattering」的機制,讓我們能在伽瑪射線看到費米泡泡。

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與此同時,這些高能電子在銀河系的磁場中運動時,會以「同步輻射 Synchrotron Radiation」的方式放出微波與無線電波,形成我們看到的微波薄霧。最後,強大的噴流在撞擊銀河系中的氣體時,會產生以每秒數千公里高速移動的震波(Shock Wave)。震波所到之處,受到壓縮而加溫的氣體就會釋放出 X 射線,成為我們看到的義羅西塔泡泡。而且氣體運動的速度,也與紫外線觀測的結果相符。

這個研究結果,將伽瑪射線、X 光、紫外線到微波的所有觀測結果,用黑洞噴流漂亮的一次重現,這無疑是我們對費米泡泡理解的一大進展。

將理論模擬的費米泡泡投影到銀河系的可見光影像上。圖中可以清楚的看到費米泡泡(Cosmic rays)、義羅西塔泡泡(Shocks)以及它們跟太陽到銀河系中心的距離(28000 光年)的大小比較。圖/ESA/Gaia/DPAC; H.-Y. Karen Yang; NASA visualization team

未來展望

那麼,費米泡泡的身世之迷,就此蓋棺論定了嗎?

嗯⋯⋯還沒這麼快。

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無論多麼精細的模擬,終究是對真實世界的近似與簡化,理論學家永遠可以繼續考慮更多的物理機制,計算出更精細的結果。觀測天文學家也會不斷拿出更多、更好的儀器,挑戰模擬的結果。

更宏觀的看,如果銀河系中心的超大質量黑洞在兩百多萬年前真的曾經如此活躍,它釋放出的龐大的能量,是否曾對銀河系造成其他的影響?我們是否能夠從中學到更多關於銀河系的歷史,以及黑洞跟星系間複雜的共同演化機制?這些都有待天文學家的持續探索。

費米泡泡的故事,仍未完結。

銘謝

感謝論文第一作者、清大天文所楊湘怡老師對本文的指導與建議。

參考資料(學術論文)

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  1. Fermi and eROSITA bubbles as relics of the past activity of the Galaxy’s central black hole | Nature Astronomy
  2. Unveiling the Origin of the Fermi Bubbles – NASA/ADS
  3. X-Ray and Gamma-Ray Observations of the Fermi Bubbles and NPS/Loop I Structures – NASA/ADS
  4. Fermi Gamma-ray Space Telescope: High-Energy Results from the First Year

延伸閱讀(報導與科普文章)

  1. 本次研究相關
  2. 費米泡泡相關
  3. 其他相關天文物理科普文章
EASY天文地科小站_96
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石墨烯攻佔遠紅外波段
NanoScience
・2012/05/25 ・898字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 577 ・九年級

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只有一層原子厚的石墨烯(graphene)能吸收超過 2% 的可見光,已經夠令人意外,最近美國科學家還有更驚人的發現─石墨烯在遠紅外光和微波波段的吸收率高達 40%。這項發現開啟了石墨烯在透明兆赫光電子學、兆赫頻率與紅外光波段的超穎材料、隱形斗蓬(cloaking)以及轉換光學(transformation optics)的應用契機。

研究發現,石墨烯在遠紅外光和微波波段的吸收率高達 40%。圖片來源:維基百科(http://0rz.tw/PcQ7n)

石墨烯是單原子厚的二維碳材料。自 2004 年問世後,此『神奇材料』持續以其獨特的電子和機械性質驚豔科學界。有人認為石墨烯未來將取代矽成為電子產業的新寵,原因是電子在石墨烯內的行為類似無靜止質量的迪拉克(Dirac)粒子,能以極高速度運動。迪拉克電子也讓石墨烯具有非常寬的光吸收頻譜,範圍從可見光到紅外光,遠比 III-V 族半導體來得寬,因此石墨烯也是光電應用的理想材料。

紅外光波段的電磁波在光通訊上頗為重要,兆赫波則可應用於生物造影、材料分析以及安檢系統。,因此了解石墨烯在這些波段的特性,對於發展應用在些波段的石墨烯光電元件為極重要。由 Phaedon Avouris 領軍的 IBM 研究團隊最近發現,石墨烯在遠紅外光和微波波段的吸收率高達 40%。

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該團隊先前已研究過石墨烯的紅外光輻射,他們測量了溫度分佈、載子密度與迪拉克點(Dirac point)的位置。迪拉克點為石墨烯能帶結構內的電荷中性(charge neutrality)點,也就是線性價帶與線性導帶的交點,由於未摻雜石墨烯的費米能階(Fermi level)與迪拉克點重疊,故此點位置對石墨烯性質有決定性的影響。

最近,此團隊進一步利用紅外光譜儀來研究少層晶圓級磊晶石墨烯與化學氣相沉積法(CVD)製作的單層石墨烯。由於載子在遠紅外波段的吸收能力與石墨烯的光導率(optical conductivity)成正比,研究人員得以確定樣本的電阻。此外,他們也透過光導率的頻率關係,計算出自由載子在傳輸時的散射率。

該團隊目前正著手改良 CVD 石墨烯的摻雜品質,並試圖得到更高的遠紅外光吸收效率。他們同時也計畫以石墨烯製作透明兆赫元件。詳見 ACS Nano|DOI: 10.1021/nn203506n。

譯者:劉家銘(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝
原文網址:Graphene absorbs infrared light—nanotechweb.org

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本文來自 NanoScience 奈米科學網 [2011-12-16]

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