專業 物理

  • 超越摩爾定律的二維電子元件

    進入到數位資訊時代,人類的生活越來越離不開數位裝置的輔助。無論是個人的工作學習,娛樂常用的電腦,甚至社交往來所依賴的行動裝置,都因為數位裝置強大的計算效能,已經滲透到現代人們生活的每一個角落。

  • 二維電子元件的發展可否成為下一世代的希望 ?!

    半導體積體電路發展至今,其複雜程度早已遠遠超過六十年前科學家們的假設,1969 年 Simon Min Sze 出版全球最著名的半導體元件聖經一書『Physics of Semiconductor Devices』時,也未曾料想到積體電路可以微縮到目前的範疇,Simon Min Sze 新書發表的當下也僅認為微米尺度的電晶體微縮化,大概就是這個領域的邊界了吧。但隨著晶片縮小化過程,所導致的複雜度與成本的驟升,2018 年初英特爾於製造 10 奈米核心技術上,遇到良率大幅下降等嚴重問題,導致大規模量產時程延宕至 2019 年初;另一方面,著名的半導體廠 Global Foundries 也於近期宣布停止開發 7 奈米核心晶片技術 ( 一般相信 Global Foundries 的 7 奈米技術與英特爾 10 奈米技術相當 ),這些原因都歸咎於微縮過程,在矽晶片為主的互補式金屬 - 氧化物 - 半導體場效電晶體 (metal-oxide-semiconductor field-effect transistors, MOSTFETs) 技術變得越來越困難所致。

  • 凝態物理變王道

    從二戰後才出現的固態物理到以凝態物理重新上架的故事來瞭解廿世紀末物理界的大轉變。

  • 工作不穩定的約聘講師人數呈穩定成長

    幸運的大學生會遇到願意盡心盡力、熱心教學的老師;但是不管有沒有遇到,在講台上或實驗室裡的那個人都非常有可能是有限期的約聘講師而不是終身職 (tenured) 或準終身職 (tenure-track) 的教授。

  • 粒子物理行 (六) 四種基本力-----重力交互作用

    重力交互作用即是萬有引力。重力交互作用的交互作用荷是能量和動量。由於能量和動量是一切物質都擁有的物理量,重力交互作用發生在所有物質身上。任何兩件物體都會互相作用一重力吸引力。

  • 粒子物理行( 五 ) 四種基本力 ----- 電磁交互作用

    在前幾章,我們粗略地認織了量子場論的理論框架。從本章開始,我們會接觸到粒子物理的具體內容。粒子物理的理論雖然頗為抽象,但只要運用一點想像力,不難理解其物理圖像。由本章開始,我們會嘗試形象地介紹四種基本交互作用 ( 簡稱為基本力 )。讀過這幾章後,讀者可以嘗試判斷日常遇到的任何物理現象是哪種基本交互作用所致。

  • 家電用品物理學

    一幀女性物理教育的歷史快照,描繪了利用家務吸引女性選讀物理課程的過程,以及家用電器業者如何利用科學銷售電器產品。

  • 光鑷在生物系統之應用與重要性

    從光鑷的現象開始,包含捕捉的方式、捕捉力的量測、捕捉粒子運動的觀測,並進一步談到它在生物系統上的貢獻,以一窺光鑷獲得諾貝爾獎的原因。

  • 反其道而行的創新 - 啾頻脈衝放大

    「在雷射物理領域的突破性發明」 ─ 這是 2018 年諾貝爾物理獎的得獎理由,由三位雷射科學的先驅共同獲得,這是繼 1999 年諾貝爾化學獎 ─ 將化學反應觀察尺度推進至飛秒級 (Femtosecond,10-15 s) 和 2005 年諾貝爾物理學獎 ─ 利用超快雷射鎖模機制 (Mode-locking) 發展的雷射光梳 (Optical Frequency Comb) 之後,超快光學史上第三座諾貝爾獎。

  • 啾頻脈衝放大技術的發展與應用

    回顧 1960 年第一台雷射被發明以來,至今已近一甲子,在其發明之後,雷射物理的研究與應用就急速成長,其影響範圍不僅及於科學研究,也深入工業技術與我們的日常生活。雷射光束相較於一般光源,有許多獨特的性質,例如非常高的相干性、明確的指向性、極高的強度、純淨的顏色 ( 極窄的頻寬 ) 或是非常短的脈衝時寬 ( 極寬的頻寬 ),全世界第一台的雷射 ( 紅寶石雷射 )[1] 就是以閃光燈管來激發的脈衝雷射。在雷射科技發展的初期,物理學家們的主要目標是要製造頻率非常純淨的雷射光,這種連續輸出、窄頻寬的雷射是發展高解析度雷射光譜學的必要工具,而這方面的研究成果也已多次獲得諾貝爾物理獎的肯定

  • 聚焦的雷射光 - 光鑷物理

    2018 諾貝爾物理學獎頒給了三位對雷射領域突破性發展有重要貢獻的科學家。其中在貝爾實驗室 (Bell Labs)付出了大半研究生涯的 Arthur Ashkin ,憑藉著「光鑷及其在生物領域的應用」個人獲得了一半的獎項,以96 歲高齡榮登諾貝爾獎最高齡得獎人。另一半的獎項則由 Gérard Mourou 和 Donna Strickland 兩人以「製造高強度且極短雷射脈衝技術」共同獲得。本文將會著墨於光鑷的發展和其在物理學中廣泛的應用。

  • 啤酒中的物理—氣泡飲料與流體力學

    除了消暑解渴,常見的啤酒或汽水中液/汽相的交互作用也蘊含了許多吸引人的物理課題。

  • 深度學習及其在凝態物理上的應用 – 下篇: 深度學習與凝態物理

    前面我們花了不少篇幅講述了深度學習的原理以及歷史,然而我們卻沒有提及深度學習究竟在物理上有何應用,所以這這篇裡面,我們就來好好聊聊深度學習究竟在凝態物理上有何應用。

  • 深度學習及其在凝態物理上的應用 – 中篇: CNN與RNN

    在上一篇文章中,我們簡單介紹了深度學習的觀念以及歷史,然而我們並沒有提及深度學習中最重要的兩個基本架構,也就是卷積神經網路(convolution neural network)以及循環神經網路(recurrent neural network)。這兩個神經網路分別用來處理了對空間有關聯性的數據以及時間有關聯性的數據,前者後來被廣泛地使用在影像識別上,後者則被廣泛地使用在自然語言處理以及時間序列等問題上。有了這兩個強大的武器,當代深度學習大爆發才有了牢固的基礎,因此要講深度學習,核心問題就是要理解這兩種神經網路架構。

  • 深度學習及其在凝態物理上的應用 – 上篇:什麼是深度學習

    機器學習是一個歷史悠久的領域,早在 1950 年代就由英國的計算機科學家圖靈提出了,此後隨著各式各樣 模型的提出,機器學習逐漸成為了一個成熟發展的領域。然而在很長的一段時間,這個領域並沒有得到相當 的注意,甚至經歷了好幾次的 AI 寒冬[1],一直到 2012 年開始才重新走入公眾的視野,到了 2015 年, AlphaGo 大敗韓國頂尖圍棋高手李世石,機器學習才走入了大爆發的領域。好奇的人可能都很想問,究竟在 2012 年之後發生了什麼事情導致 AI 大爆發呢?

  • 熱科學「冷」處理

    處於超導態和正常態之間的超導薄膜對於溫度超級靈敏,靈敏到可以量測到個別X射線和γ射線(伽馬射線)的光子能量。不過就如超導傳輸線和超導磁鐵一樣,超導相變感測器(TES,transition-edge sensor)其實不是什麼新鮮事,早在1930年代科學家就已經提出可以用超導相變偵測單一光子造成的微小熱改變。但也像很多早期對超導應用的構想一樣,通常要花幾十年的時間來創造或修改理論、儀器、微製程方法和低溫學才能夠使TES發揮它的潛力。

  • 蟻穴中的科學:紅火蟻如何解決交通堵塞?

    在春節假期的國道上,壅塞的交通不只讓駕駛心煩意亂,也讓整個公路系統的效能大幅降低;為此,設計道路的工程師需要費盡心思,盡可能確保車流保持順暢。當一個封閉系統中有許多個體互相影響,就很容易出現團塊或堵塞;而當群體的共同目標仰賴個體順暢的移動,這些堵塞會直接削弱群體達成目標的效率。

  • 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。