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磁性、超導性共存的新材料開啟新的可能性

only-perception
・2011/09/12 ・1027字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 573 ・九年級

科學家已抵達一個關鍵的里程碑,那導致新的、具實用電子特性的材料。在 9/5 當期 Nature Physics 中報導的一項研究裡,這個團隊將二種無磁性的絕緣體交錯重疊(sandwiched)並發現一種令人吃驚的結果:二種材料交會的那一層,同時具有磁性以及超導電性區域 — 這二種特性一般來說無法共存。

技術專家老早想尋找一種方法來改造這類材料 — 稱之為複合氧化物(complex oxides) — 當中的磁性,成為開發用於儲存與處理(資料)之潛在新型運算記憶體的第一步。

這項發現,由史丹佛材料與能源科學研究所(SIMES,能源部 SLAC National Accelerator Laboratory 與史丹佛大學的合作機構)的研究者所完成,「在改造新種材料與研究這些一般來說不相容的狀態的交互作用上,開啟了令人振奮的可能性,」 Kathryn A. “Kam” Moler 表示,SLAC/Stanford 研究者,她領導這些成像研究。

關鍵的下一步:理解這種超導電性以及磁性共存在這種材料中,是否為一種不穩定的停戰協議,又或著,這代表發現一種新型態的、主動與磁性產生交互作用的超導電性,Moler 表示。超導電材料,那以沒有阻礙的方式傳遞電流,同時具 100% 的效率,通常會排斥任何靠近它們的磁場。

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“我們未來的測量將指出,它們是在彼此對抗或彼此相助,” Moler 說。

獨立的、來自 MIT 的研究者在同一期的 Nature Physics 上宣佈,他們已利用另一種測量方法證實,磁性存在於二種材料之間的界面上。在一篇伴隨二篇論文而來的評論中,哥倫比亞大學物理學家 Andrew J. Millis(他並沒有涉及這些研究)寫道,這項研究能產生新品種的材料,具有 “有趣的、可控制的、新奇的以及也許實用的集體電子特性。” 雖然這個目標仍很遙遠,他說,不過這些新發現指出,”這個領域已通過一個關鍵的里程碑。”

SIMES 畢業生 Julie Bert,該論文的第一作者,以及她的同僚,在一片鋁酸鑭(lanthanum aluminate,LaAlO3)薄膜上進行她們的觀測,那已平放在鈦酸鍶(strontium titanate,SrTiO3)基質上。這些結構是藉由與應用物理學家 Harold Hwang 的合作而生長,他最近將他的小組從東京大學搬出以加入 SIMES,現在身為副主管。二種氧化物交會之處的原子層變得金屬化(metallic)並允許電流在接近絕對零度的溫度下沒有阻礙地流動。

研究者正開始實驗,看看當這種材料被壓縮,或著,施加一電場時,是否有任何變化,Moler 說。她補充表示,現在必須完成額外的研究以測定促成磁性與超導電性在這些氧化物中形成的物理特性。

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“現代科技賦予我們驚人的能力,以一層又一層的原子生長材料,” Moler 說。”我們的研究帶來的訊息是:這麼做我們能創造出具有驚人新特性的新材料。

資料來源:PHYSORG: Novel magnetic, superconducting material opens new possibilities in electronics [September 5, 2011]

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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

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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奈米微晶顯現鐵電性質
NanoScience
・2012/09/16 ・874字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 543 ・八年級

鐵電性(ferroelectricity)材料是製造次世代非揮發性(non-volatile)記憶體的基礎,而記憶體的密度極限取決於鐵電性究竟能在多小的尺度下存在。最近美國科學家研究了碲化鍺(GeTe)與鋇鈦氧化物(BaTiO3)內鐵電形變的分佈情形,證實低至數奈米的大小仍可見鐵電性存在。根據此結果,次世代非揮發性記憶體每平方英寸的儲存容量可望高達數兆位元。

鐵磁(ferromagnetic)材料具有永久磁偶極矩,可藉由外加磁場使其轉動。相對地,鐵電材料具有永久電偶極矩,可利用電場控制極矩方向,這個特性讓科學家得以將數位電訊號儲存在鐵電薄膜中,因此開拓了一個新的元件應用舞台。

這項由勞倫斯柏克萊國家實驗室與加州大學柏克萊分的Paul Alivisatos與Ramamoorthy Ramesh領導的團隊所完成的研究,目的是探討穩定鐵電排列的最小尺寸極限,以及在此極限下所呈現的形式。先前的研究認為隨著尺度變小,造成鐵電性的原子位移會完全消失或變亂,或者以渦流態排列的形變出現。此團隊的研究結果卻顯示在單一疇區,中局部原子位移大致仍保持線性排列,因此仍有淨電極化存在。換言之,有用的鐵電性質(包含極化開關與壓電特性)在只有幾奈米的尺度下依然維持存在。

該團隊分析了碲化鍺與鋇鈦氧化物奈米微晶內的鐵電有序。前者是鐵電半導體,後者則為典型的鐵電氧化物。他們先以電子顯微鏡直接觀察個別粒子中與鐵電性有關的結構形變,接著對整體粒子進行原子對函數分佈分析(atomic pair distribution function analysis)以求得這些形變間的關連性,然後再以電子全像術(electron holography)直接拍攝此鐵電極化,並測量了單一奈米微晶的壓電滯留曲線(piezoelectric hysterisis)。

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研究結果顯示,由鐵電奈米微晶製作的非揮發記憶體的資料儲存密度將可能高達每英寸數兆位元。此外,此材料未來亦可應用於奈米機電系統(NEMS)中,作為壓電致動器及傳感器(transducer)等。該團隊目前想要探討理論預測的渦流極化態是否能穩定存在這些奈米微晶粒子中。詳見Nature Materials|DOI:10.1038/nmat3371。

譯者:孫士傑(高雄大學應用物理系)
責任編輯:蔡雅芝

資料來源:Nanocrystals go ferroelectric. NanoTech [Aug 30, 2012]

轉載自 奈米科學網

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主要任務是將歐美日等國的尖端奈米科學研究成果以中文轉譯即時傳遞給國人,以協助國內研發界掌握最新的奈米科技脈動,同時也有系統地收錄奈米科技相關活動、參考文獻及研究單位、相關網站的連結,提供產學界一個方便的知識交流窗口。網站主持人為蔡雅芝教授。

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研究者將分子磁鐵設計成長效 qubits
only-perception
・2012/06/02 ・1079字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 566 ・九年級

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今日某些物理學家正在研究將分子磁鐵(molecular magnets)當成未來量子電腦之資訊儲存單元使用的可能性。就分子結構來說,分子磁鐵是那些磁矩偏好朝特定軸向排列的分子。其所擁有的電子自旋結構可經由磁力調整出一種以上的狀態,且在低溫時,即使在缺乏磁場的情況下,依然可維持這種狀態,這可能使它們被用於資訊儲存上。

現在一個來自英國的研究團隊已證明,在不同的磁性狀態間,量子力學相位的疊加可持續超過 15 微秒,使其自旋態因解同調(decoherence,走調)而失去其資訊前,能反覆切換。在分子磁鐵作為 qubits(量子位元,量子電腦的元件)的實用性上,這項發現為其平添佐證。

來自牛津大學與曼徹斯特大學的研究者,C.J. Wedge 等人,已將他們「如何利用化學方法修改分子 qubits 以增加其相位記憶時間」的研究發表在最近一期的 Physical Review Letters 上。在這之前,研究者已達成 3.8 微秒的相位記憶時間(phase memory times),而其他分子磁鐵系統研究所產生的(記憶)時間都在 1 微秒的時間尺度上。

“相位記憶時間與同調時間是非常類似的概念,” 牛津大學的共同作者 Arzhang Ardavan 表示。”(長相位記憶時間)意味著,當量子資訊消失前,有可能操縱 qubit 許多次。那意義重大,但我們亦樂見能精確控制分子結構的可行性,以及能測定各種解同調機制,並盡我們所能來減少它們。”

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在他們的研究中,研究者聚焦在 Cr7Ni 分子磁鐵上。他們之前證明這種分子所擁有的同調時間遠超過操縱單一 qubit 所需要的 10 奈秒。在此,他們採取下一步驟並研究分子磁鐵解同調(原子核自旋擴散 (nuclear spin diffusion) 與頻譜擴散 (spectral diffusion))的特定來源,以及如何優化結構以便盡可能地延緩解同調。

為了辦到這件事,研究者改變二種關鍵要素(某些陽離子與配位基),藉此比較不同的 Cr7Ni 結構。他們特別研究,在低溫下不同的結構維持其自旋態的能力有多好,那以結構的相位–同調性鬆弛時間(phase-coherence relaxation time)來測定。研究者發現,優化修改過的 Cr7Ni 分子磁鐵能有超過 15 微秒的相位記憶時間,那比操縱單一 qubit 所需要的時間多了幾個數量級,而且明顯比先前的證明還要更長。

研究者預測,這些結果將導致在分子磁鐵簇內操控量子態的能力。他們計畫在未來更進一步研究操縱分子磁鐵的方法。

“我們將驗證各種可能性,” Ardavan 說。”我們研究這些分子之化學性質的同僚能夠合成合併數個耦合分子磁鐵的結構。我們將利用這類分子來研究簡單的多 qubit(multi-qubit)演算法。”

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“最近,有人在理論上提出,電場能用來操縱分子磁鐵的磁性狀態,” 他補充道。”我們正透過實驗來驗證這些可能性。”

原始文獻:C. J. Wedge, G. A. Timco, E. T. Spielberg, R. E. George,
F. Tuna, S. Rigby, E. J. L. McInnes, R. E. P. Winpenny,
S. J. Blundell, and A. Ardavan.
Phys. Rev. Lett. 108, 107204 (2012) [5 pages]
doi: 10.1103/PhysRevLett.108.107204

資料來源:PHYSORG:Researchers engineer molecular magnets to act as long-lived qubits[March 21, 2012]

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科學家已抵達一個關鍵的里程碑,那導致新的、具實用電子特性的材料。在 9/5 當期 Nature Physics 中報導的一項研究裡,這個團隊將二種無磁性的絕緣體交錯重疊(sandwiched)並發現一種令人吃驚的結果:二種材料交會的那一層,同時具有磁性以及超導電性區域 — 這二種特性一般來說無法共存。

技術專家老早想尋找一種方法來改造這類材料 — 稱之為複合氧化物(complex oxides) — 當中的磁性,成為開發用於儲存與處理(資料)之潛在新型運算記憶體的第一步。

這項發現,由史丹佛材料與能源科學研究所(SIMES,能源部 SLAC National Accelerator Laboratory 與史丹佛大學的合作機構)的研究者所完成,「在改造新種材料與研究這些一般來說不相容的狀態的交互作用上,開啟了令人振奮的可能性,」 Kathryn A. “Kam” Moler 表示,SLAC/Stanford 研究者,她領導這些成像研究。

關鍵的下一步:理解這種超導電性以及磁性共存在這種材料中,是否為一種不穩定的停戰協議,又或著,這代表發現一種新型態的、主動與磁性產生交互作用的超導電性,Moler 表示。超導電材料,那以沒有阻礙的方式傳遞電流,同時具 100% 的效率,通常會排斥任何靠近它們的磁場。

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獨立的、來自 MIT 的研究者在同一期的 Nature Physics 上宣佈,他們已利用另一種測量方法證實,磁性存在於二種材料之間的界面上。在一篇伴隨二篇論文而來的評論中,哥倫比亞大學物理學家 Andrew J. Millis(他並沒有涉及這些研究)寫道,這項研究能產生新品種的材料,具有 “有趣的、可控制的、新奇的以及也許實用的集體電子特性。” 雖然這個目標仍很遙遠,他說,不過這些新發現指出,”這個領域已通過一個關鍵的里程碑。”

SIMES 畢業生 Julie Bert,該論文的第一作者,以及她的同僚,在一片鋁酸鑭(lanthanum aluminate,LaAlO3)薄膜上進行她們的觀測,那已平放在鈦酸鍶(strontium titanate,SrTiO3)基質上。這些結構是藉由與應用物理學家 Harold Hwang 的合作而生長,他最近將他的小組從東京大學搬出以加入 SIMES,現在身為副主管。二種氧化物交會之處的原子層變得金屬化(metallic)並允許電流在接近絕對零度的溫度下沒有阻礙地流動。

研究者正開始實驗,看看當這種材料被壓縮,或著,施加一電場時,是否有任何變化,Moler 說。她補充表示,現在必須完成額外的研究以測定促成磁性與超導電性在這些氧化物中形成的物理特性。

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