專業 物理
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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。
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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。
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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。
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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?
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。」
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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。
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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。
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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。
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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。
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大亞灣微中子振盪實驗的發現
大亞灣微中子振盪實驗團隊於2012 年春，首次發現微中子新的一種振盪模式[1]：量測微中子於運行過程中轉換為另類微中子的概率。此項研究結果開啟通往物理新知的大門，未來可望能進一步解釋宇宙中物質與反物質不對稱的奧秘。
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真假地圖？！-以鑑識科學的角度看歷史文物
什麼是鑑識科學？美國鑑識科學學會曾於西元一九九三年做過如下的定義：
「鑑識科學是採用科學原理與技術以實踐刑事、民事與法律等規定中的司法公正。」（Forensic Science is the application of scientific principles and technological practices to the purposes of justice in the study and resolution of criminal, civil, and regulation issues. AAFS Board of Directors, 1993）。 -
自旋角動量：從愛因斯坦-德哈斯實驗講起
因為博士班時期的研究領域，剛到學校任教的第一個學期，便被指派開了「磁性材料」這門課。磁性材料通常是物理系高年級或材料所研究生的選修課，但會用到的基礎知識包含了：量子力學、電磁學、甚至是統計熱力學…等，代表著要透徹了解「磁學」 (magnetism) 這個在物理領域歷久不衰的主題，似乎得花上不少時間將基礎建立起來。有趣的是，雖然我的研究主題一直都是磁學，但在求學過程中完全沒有修過這門課，因此準備起來格外吃力。在蒐集課程素材的過程中，除了重新細讀幾本以往只拿來當工具書的文本外，也意外地發現了一些課本中常忽略掉的重要實驗。愛因斯坦-德哈斯 (Einstein-de Haas) 實驗便是一個很有趣的例子。
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拓樸物質的理論研究發現
1879年，美國物理學家愛德華霍爾(Edward Hall)發現一種特殊的現象。垂直而導體面外加一個磁場，會產生一個橫向於磁場的導電率，而且此導電率和磁場成正比，我們稱之為古典霍爾效應
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隱形人微中子：縱觀微中子物理
二十世紀初，原子核物理研究正在萌芽，科學家發現β - 衰變中的電子動能呈現連續能譜而非單能分佈。這與動量能量守恆有所矛盾，使人疑惑。1930 年奧地利物理學家Pauli 大膽的假設在β - 衰變中，有一質量極小、不帶電荷、且與物質不會有交互作用的粒子釋出。1932 年，英國科學家Chadwick 發現中子(neutron)，雖為中性但因質量太大，不可能在β - 衰變中釋出。1934 年，意大利的Fermi 發展β - 衰變的理論，同時命名這神祕的粒子為〝neutrino〞---『微中子』，在意大利文中有微小的中子的意思[ 註1]
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雷射與非線性光學:雷射光頻轉換
雷射由於功率密度極高，可以透過非線性光頻轉換來改變輸出波長，進而產生自紫外光、可見光一直到近、中紅外光波段等不同雷射輸出。例如日常生活中常用的綠光雷射筆，受限於材料特性無法用半導體雷射量產，因此市面上販售的，即是使用1064奈米的近紅外光固態雷射，二倍頻後得到的532奈米綠光雷射，其架構示意圖如圖1所示，這也是價格較昂貴的原因之一。除此之外，許多如加工、醫療等適合使用雷射光源來精準作業的應用，為了符合目標材質的吸收特性，單一波長的雷射光自然無法填補這些潛在的應用空缺。因此，非線性光頻轉換一直是雷射應用中非常重要的一部分，這篇文章將介紹最簡單、也最常用的雷射光頻轉換原理，並藉由雷射本身的限制來了解光頻轉換帶來的效益。
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從微米到奈米: 光學顯微術的一大步
光學顯微術是人類超越自我感官極限的一個挑戰。透過對於物理光學原理的了解與各種光學元件的發展，我們從毫米進步到微米的解析度。然而，由於光學繞射極限的限制，我們一直無法突破光學解析度到更小的尺度。2014 年諾貝爾化學獎頒給突破這一個光學繞射極限的兩種螢光顯微術。由於這一些新的技術，光學顯微術的解析度從微米進步到奈米。這一個獎項需要生物、物理、化學的共通努力才能達到。
現在，超高解析螢光顯微鏡已經成為前緣生物實驗的重要利器。
