專業 物理

  • 粒子物理行 (四) 路徑積分

    我們在第一章知道,這機率分佈由波函數的平方給出,而波函數的演化遵從薛丁格方程式。類似牛頓運動方程,薛丁格方程式是一種對物理過程在時間軸上的局部描述。正如古典物理學中的最小作用量原理,在量子力學裏我們也可從整體角度描述物理過程,這種方法稱為路徑積分 (path integral)。

  • X光量子光學的繼往與開來

    近年來物理雙月刊在陳惠玉教授等編輯群的努力下,加入了許多創新的元素。不僅將物理學的前沿發展以更加白話的方式呈現給國人,也頗具匠心地揭開台灣物理人的神秘面紗,例如百款物理人系列,讓每期月刊更加精彩可期。特別感謝陳光胤及黃文敏教授的引介,還有編輯群邀請筆者擔綱封面人物。希望拙文能在有許多前輩高手前拋磚引玉。

  • 在異鄉重啟爐灶的流浪科學家

    科學家們正以史無前例的數量逃離迫害與衝突。而接待這些科學人才的大學與社區正可從中受益。

  • 新世代鈣鈦礦材料:合成、光電特性及應用

    早期 ( 例如 CaTiO3) 因為具有抗磁的特性,常被用於超導體的研究,但近年來鈣鈦礦材料引起科學家廣泛的注意,起因於一種新穎的有機 — 無機複合型鹵素鈣鈦礦材料(organic-inorganic hybrid halide perovskite) 展現了極佳的光電特性,在短短的十年之內,鈣鈦礦太陽能電池之光電轉換效率從 3.8% 迅速提升至近 25%1,甚至能與發展已久的矽晶型與三五族型太陽能電池並駕齊驅。

  • 實驗室裡天體磁場的誕生與成長

    雷射產生的亂流電漿可增強磁場至天文等級

  • 意外的強相關聯材料 --- 魔角雙層石墨烯

    厚度只有一個原子大小的石墨烯,除了作為拓樸絕緣體的基本模型外[1],其絕佳的導電以及應力特性也成了材料、化學與光電等應用領域的重要議題。價電子佔據p軌域的碳基材料幾乎不被認為是超導材料,更與強關聯系統沒有太大關係。最近一期自然雜誌連續兩篇論文[2,3]報導魔角雙層石墨烯 (Magic Angle - Twisted Bilayer Graphene 簡稱 MA-TBG) 材料中發現的超導與強關聯物理:費米面附近的能帶有極小的能帶寬度,並且當改變載子濃度到半填滿狀態時,所量測的電導大幅下降;此外這材料的溫度-載子濃度 (temperature-carrier density) 相圖更透露出與高溫超導許多相似之處。本文將簡單介紹魔角雙層石墨烯的基本物理,其費米面附近所形成的平能帶[4](flat band,能帶與動量關係E(K) 為一定值),以及簡單的物理圖像來理解實驗結果。

  • 石墨烯在化學氣相沉積法(CVD)製備上的挑戰與突破

    完美石墨稀 (Graphene) 為一層碳原子緻密堆積而成的蜂窩狀二維材料,相較於金屬材料,它具有非常多獨特的特性,在電、熱與機械性質上亦有突出的性能表現,因此許多研究文獻中被預測此材料應為世界上最佳的透明導體,所以被認為可用在相當多的突破性應用,例如:防止材料腐蝕的保護層、透明導電基板、高頻元件及可撓式電子元件…等。這些應用都仰賴完美石墨烯之特性,目前常見的石墨烯製備方法,可大略分為兩類:一種是從天然石墨中剝離出單層石墨烯,然後再組裝成薄膜的剝離法。而另一種則是合成石墨烯:將含有碳的分子分解成碳自由基再一顆一顆排列成六角形狀,組成石墨烯稱為化學氣相沉積法。分解成碳自由基的過程,含碳分子往往需要藉由過渡金屬的催化,才能在合理的溫度內完成分解過程。隨後碳自由基也需要過渡金屬的基板來協助排列成六邊形石墨烯。剝離法所形成的薄膜,因所剝離出來的石墨烯尺寸過小 (小於微米等級),且過多的晶格邊界造成石墨烯的品質遠低於理想值。若欲將石墨烯應用於石墨烯專屬的突破性商品,而非僅只用作添加物,CVD製備的高品質石墨烯變成唯一的希望。

  • 重元素是怎麼生出來的?

    形成許多比鐵還重的元素所需要的快速中子捕捉過程,看來主要是發生在中子星的併合而非超新星爆炸。

  • (第三章)作用量

    在第二章,我們討論了對稱原理和粒子的分類方法。可是,我們只把對稱原理應用在自由 粒子上,並沒有應用在粒子的相互作用上。在本章和未來幾章,我們會討論量子場論中描 述粒子相互作用的框架,以及對稱原理在粒子相互作用中的初步應用。

  • 男女大不同

    物理界的性別不平等造成優秀女物理學家出走。我們來力挽狂瀾吧!

  • 以光窺腦-利用光學顯微鏡觀察大腦

    好奇心驅使人類不停地探索未知的知識,大至浩瀚無涯的宇宙,小至各種基本粒子,都充滿了迷人的魅力。以歷史記載來看,從中國的哲學家莊子 (西元前369-286年) 提出的濠梁之辯「子非魚安知魚之樂」,到西方哲學家笛卡爾 (René Descartes, 1596-1650) 提出「我思故我在」這些哲學論述,就知道理解大腦是大多數人都感興趣的方向。所以古代的哲學家們,即便沒有適合的工具及方法,也不停地透過各種論述來探索大腦。

  • 解碼大腦—理論物理學家能做些什麼?

    「大腦」被視為是人類知識最後的未知疆域,美國前總統歐巴馬於2013年公告開始推動「BRAIN Initiative」的大型計畫時說到:「我們可以瞭解距離我們數萬光年以外的銀河,也能研究比奈米還小的粒子,但是我們卻對在我們的兩個耳朵,三磅重的大腦所知甚少。」在人類基因組已經完成定序,個人化醫療、精準醫療也因此有了飛躍性的進展,甚至連長久以來人類健康的大敵癌症,也因為生醫技術的進步,不斷有新的藥物以及治療方法被開發出來。然而大腦相關的疾病例如帕金森氏症、阿茲海默症等神經退化性疾病、以及自閉症、各種精神疾病,我們對其成因所知十分有限,更不用說是預防與治療了。因此可以預見,大腦相關的疾病勢必變成全球生醫研究的主要對象。

  • YouTube上的物理女孩: 黛安娜,一位從物理學家轉變為科學傳播人的心路歷程

    在2017年的美國物理學會三月會議(APS March Meeting)期間,《美國物理學會新聞》(APS News)採訪了黛安娜(Dianna Cowern),這位在YouTube上以「物理女孩」(Physics Girl)為名的網路紅人,討論她是怎樣成為視頻網站上的物理明星。她領有麻省理工學院 (Massachusetts Institute of Technology) 的物理學學士,目前主持PBS數位工作室(PBS Digital Studios)的YouTube頻道,這是一個以DIY實驗,以及探討太空與天文等主題的頻道。基於字數限制與凸顯主題,以下文字是經過編輯後的採訪稿。

  • 為物理系學生做好面對二十一世紀職涯發展的準備 Preparing physics students for 21st-century careers

    無論學生將來是走進產業界、政府部門、商業界或學術機構,他們需要的技能,絕對不僅僅是「會解題」而已。

  • (第二章)粒子的分類和對稱原理

    在第一章裏,我們明白到每一種粒子都對應一量子場,而粒子是量子場的激發。一個很自然的問題是:給定兩顆粒子,怎麼辨別它們是否同一種粒子? 也就是說,給定兩顆粒子,怎麼辨別它們是否同一個量子場的激發?例如,為什麼我們說電子和光子是不同的粒子?要回答這個問題,我們必先了解量子埸論的一個基本原理(也可能是最重要的一個原理)——對稱原理(symmetry principle )。簡單來說,對稱原理意思是粒子間的相互作用取決於物理定律的對稱性。而粒子的分類其實就是粒子的相互作用行為的分類,所以物理定律的對稱性在粒子的分類裏起着關鍵性作用。在以下的討論中,我們將考慮最一般意義下的粒子。也就是說,粒子不一定是如電子般的基本粒子,也可以是如質中甚至氫原子般由數顆基本粒子組成的合成粒子。

  • 邁向大型重力波干涉儀觀測網路

    我們正見證重力波天文學時代的來臨。現在,人類能以新的觀測方式 “聽到” 宇宙的資訊。本文將從觀測與實驗的角度,討論重力波天文學的議題。

  • 時空的漣漪 --- 重力波

    自從愛因斯坦 (Albert Einstein, 1879-1955) 於1916年首先研究重力波開始,關於重力波的存在和性質、與電磁波相似的程度、以及關於四極矩 (quadrupole) 公式和重力波是否攜帶能量的探討,長久以來持續在各種不同的觀點、想法和爭議中發展開來。雙脈衝星 (pulsar) 的觀測結果間接地支持重力波的確如四極矩公式所預測的那樣傳遞能量。韋伯 (Joseph Weber, 1919-2000) 早在五十多年前即已開始進行直接觀測重力波的實驗,他的工作激發了之後的許多嘗試和努力,從室溫共振質量進化到低溫檢測器和雷射干涉儀。現在已有長達數公里的干涉探測器。借助於由數值相對論 (numerical relativity) 所產生的樣本 (template),LIGO首次直接觀測到重力波訊號,在百年之後,實現了愛因斯坦的夢想。

  • (第一章)粒子、場和量子場

    一切物質皆由基本粒子組成。粒子物理學是一門研究基本粒子相互作用的物理學分支。從還原論角度看,粒子物理學是自然科學的基礎。在「粒子物理行」裏,我們會踏足粒
    子物理學的每個角落,包括粒子物理的基本概念、主要研究成果和一些有關歷史。

  • 重力波與相對論: 探測重力波的世代

    第一代的LIGO和第一代的Virgo沒有探測到重力波。此時,Braginsky等人對雜訊的分析用到了新一代 (第二代) aLIGO和aVirgo的改進設計。

  • 重力波與相對論: 開啟重力波觀測

    普通天文觀測使用光學望遠鏡,可謂以管窺天。射電望遠鏡通常可觀測某一方向的天空。微中子天文觀測、聽覺、手機可對各個方向接收訊號是全方位的探測。這種全方位的探測器 (感官、手機) 必須能接收各方向的訊號;測定方向則需要有兩個以上的探測器,用到達不同探測器的時間差來決定方向和距離。對於分辨訊號則利用時序和頻譜 (如音樂與人聲) 的不同。重力波的探測類似聽覺,普通亦為全方位的觀測。

  • 重力波與相對論: 關於重力波的理論歷史發展

    2015 年 9 月 14 日,LIGO (LIGO: Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory; 美國在華盛頓州 Hanford 和路易斯安那州 Livingston 建造的兩 個 4 公里臂長雷射干涉重力波探測天文台) 團隊和 Virgo (義大利和法國在 Pisa 地區建造的 3 公里臂長重力波探測天文台) 團隊以 LIGO 兩個相距 3000 公里、 臂長 4 公里的重力波干涉儀探測到了距離我們約 13 億光年的兩個約 為 30 太陽質量黑洞的互繞及合生所產生的重力波。信號持續時間為 0.2 秒。 合生時最大的重力波亮度大於可觀測到的宇宙所有恒星亮度的總合。

  • 特別情商,由中子星爆撞賣力演出之「雙波記」

    重力波與電磁波暴露了一個引起伽馬射線暴和製造重元素的星際併合

  • Majorana 費米子

    1938年的3月25日,義大利物理學家Ettore Majorana突然消失,沒有人知道他去了哪裡。留給世人的是他不可思議的物理天份:從美學的角度出發,Majorana發現迪拉克方程式的一個特殊性質,進而提出一種特別的基本粒子 --- Majorana費米子 --- 自己是自己的反粒子。

  • 馬約拉納和馬約拉納費米子

    費米 (Fermi) 曾這樣說過:「科學家分為幾個等級。那些二三流的科學家,他們盡了一生之力也没有什麼突破。而一流的科學家則能作出對科學發展具重要性的發現。最高級別是如伽利略和牛頓這些天才,馬約拉納是其中之一。」

  • 拓樸絕緣體之能帶結構、輸運性質與場效電晶體元件之介紹與研究

    傳統上,物質的狀態分類主要是依循原子對稱性破壞的原理,如晶體、多晶體與非晶體。從宏觀電性來說,物質可以大致簡單分為三類:導體、絕緣體跟半導體。量子霍爾態 (Quantum Hall state) 在西元1980年被發現,提供了新物質態-量子態的第一個特例。它沒有自發地斷開原子對稱性,然而其電子結構與輸運行為僅取決於其拓樸性 (topology) [1]。本質自旋霍爾效應 (Intrinsic Spin Hall Effect) 的理論在2003年被提出[2][3],說明物質中自旋的分離是因為物質的本質能帶結構造成的,引發了大家對於能帶以及自旋電流研究的興趣。雖然當時最根本的原因尚未確認,但卻埋下了大家對於量子版本的自旋霍爾效應猜測的種子。美國理論學家C. L. Kane及E. J. Mele在2005年提出石墨烯 (graphene) 是具有量子自旋霍爾效應 (Quantum Spin Hall Effect) 的一種材料[4]。他們認為石墨烯微小的能隙會因為自旋軌道耦合 (Spin-orbital coupling, SOC) 的效應而打開,進而變成絕緣體;此外其邊緣態 (Edge states) 也會出現於能隙中。這樣的行為和量子霍爾效應是非常像的,然而這不需要一個外加的磁場。

  • 拓樸超導體

    拓樸超導體是一種特別的物質。顧名思義,它擁有一般超導體的性質,例如完整的超導能隙 (superconducting gap)。然而不同於一般超導體的是其超導庫柏電子配對 (Cooper pair) 具有手性 (chirality),如同拓樸絕緣體的表面電子態具有手性。而手性超導配對的一項重要特性就是在邊緣或是缺陷處會有馬約拉納(Majorana) 準粒子束縛態的存在。馬約拉納費米子 (fermion) 是一種本身為自己反粒子的費米子。因此,當兩個馬約拉納費米子在一起時就會互相消滅而無法探測。在基本粒子理論,微中子可能是個馬約拉納費米子,但是實驗還無法確認這個預測。在凝態物理的拓樸超導體中,兩個馬約拉納準粒子可以在相離很遠的邊緣或缺陷處各自存在,因此有機會被探測到。例如我們施加磁場在超導體這樣符合電子─電洞對稱 (particle-hole symmetry) 的系統中,馬約拉那準粒子會被束縛在超導渦旋 (vortex) 的零能量處,實驗即可量測到零偏壓時導電率的峰值 (zero bias conductance peak),而這也是拓樸超導體的一個重要現象。馬約拉納束縛態不會被外界干擾而退相干 (decoherence),此特性可應用於容錯性量子計算,因此探測馬約拉納準粒子是目前凝態物理的關注焦點之一。

  • 拓樸材料與拓樸能帶理論

    百萬年前,人類與動物沒有太大差別,撿撿石頭、樹枝、果子。但跟其他動物相比,人類太過於弱小,為了提升在自然界的存活率,人類開始製作石器,進入了石器時代。隨著時間演進,人們開始學會以火製作陶器,甚至煉製金屬。到了十九世紀,更有了煤礦與合金,工業革命因此產生。石油與半導體可說是二十世紀的代表,我們的生活都與這兩樣東西息息相關。二十一世紀雖還沒結束,但我們已將高溫超導體用於醫療核磁共振 (Nuclear Magnetic Resonance),巨磁阻 (magnetoresistance) 材料則是大容量硬碟的基礎。至此,我們可發現,人類生活方式的演進與材料發展緊密相連,材料的歷史可說是人類的歷史。

  • 在一戰中動員的美國物理學(Mobilizing US physics in World War I)

    美國物理學家將研究應用於解決大戰期間的問題時,也改變了物理學、軍事與政府之間的關係。

  • 天空將要不同了

    我正在前往參加一個電池研討會的途中,但卻陷在大塞車的車陣裡。當我滿臉沮喪的坐在車子裡時,我的心不覺晃蕩到了一個自從年少就有的夢想:飛行車!回想當1930年代開始刊出的著名漫畫《狄克・崔西》裡的夢幻裝備:手錶/無線電雙用錶,現在都已經由第一支「蘋果錶」 (Apple watch)所實現,那麼我的飛行車有啥理由不能問世呢?

  • 2016年諾貝爾物理學獎:相變與拓樸相變介紹

    2016年諾貝爾物理學獎頒授給三位凝聚態物理學家,科斯特利兹 (John Michael Kosterlitz)、霍爾丹(Duncan Haldane) 和索利斯(David J. Thouless),為表揚他們發現拓撲相和拓撲相變。他們的發現可說是凝聚態物理的一場革命。要體會這發現的重要,我們必先了解傳統的相變理論。