專業 物理

  • 細說暗物質(下)

    『暗物質既然是物質,那勢必應有粒子的特性,並可以用實驗儀器捕捉起來研究才對。』這一番話縱然說出絕大部分粒子物理學家的心聲,但可惜的是,除了熱平衡暗物質必需擁有足夠大的作用力以維持早期熱平衡以及產生正確的當前豐度存量外,目前其他的暗物質證據皆來自重力的研究,很難用於測量暗物質的粒子特性。

  • 細說暗物質(上)

    暗物質是一個已經超過八十多年的難解現象。科學家經過近一世紀的努力不懈,暗物質彼此之間有重力交互作用的證據越來越強,但就把暗物質抓進儀器內仔細研究這點而言,科學家使盡渾身解數,無論是上天 (衛星) 還是下地 (地底實驗室),皆無所得。本篇文章中,筆者想藉著Peebles教授拿到諾貝爾獎之際,藉機分享暗物質的歷史、理論、當前探測結果以及未來研究展望。

  • 108年度諾貝爾化學獎與鋰離子電池之發明

    早期鋰電池因其放電電壓與電流穩定而受矚目,然鋰金屬本身活性強,無法輕易加工與保存並使用,直至20世紀才漸漸使鋰電池進入實用階段。1至此鋰電池仍為一次電池,意即其放電完即無法再使用。因於充電將導致鋰金屬枝晶(lithium dendrite)產生,此將使電池短路且再充電效率相當差。鋰離子電池(lithium-ion battery)乃將鋰電池僅可一次使用之缺點改良,而可再充電重複使用。

  • 系外行星科學:天文新時代

    我們並不孤單。筆者撰寫本文時,天文學家已發現4151顆在太陽系以外的『系外行星』。這是一個驚人的數字:首顆系外行星在1992年才被發現 (一顆環繞脈衝星的行星),而第一個圍繞類似太陽恆星的系外行星則是1995年發現的。即使在2011年,當筆者正在完成博士論文時,系外行星數量也才約為600顆。在不到十年的時間裡,系外行星數量增加了7倍。而2019年台灣也透過國際天文協會命名了一顆系外行星『水沙連』。觀測技術不斷的進步,使得系外行星科學日新月異。它的快速發展使得我們幾乎每天都會發現新的星球、從未想過的新世界。人類對生命起源以及尋找『地球 2.0』的好奇心促使了系外行星科學迅速成為最令人興奮的天文領域之一。

  • 系外行星前傳

    2019年的諾貝爾物理獎是頒發給三位天文學家。加拿大籍在美國普林斯頓大學任教詹姆斯·皮布爾斯(James Peebles) 以他在宇宙論的重要供獻分到一半獎金。其它一半則由瑞士籍原為兩師徒的米歇爾·麥耶(Michel Mayor) 和迪迪爾·奎洛茲(Didier Queloz)  分享(圖一)。麥耶久在瑞士日內瓦大學任教,而奎洛茲則是英國劍橋大學和日內瓦大學的教授。瑞典皇家科學院公佈時的說明說「發現一個太陽類型的恆星的行星」是他們二人得獎的原因。因為這個發現,人類對地球(和自己本身)在宇宙中的位置也從此改變。

  • 聆聽宇宙氣笛 垂釣系外行星

    人類對於太陽系以外是否有第二顆地球甚至系外生命的存在,一直感到莫名的好奇。早在18世紀,英國藝術家John Pass以雕刀勾勒出他所想像其他太陽系的樣貌,他奇想中的系外行星系統好像充斥著整個宇宙,卻和太陽系內的行星分佈大相逕庭

  • 探索量子與古典間的灰色地帶

    在本文中我們探討了,如何透過哈密頓量係綜集合模擬一個開放性量子系統時間演化藉此展現出非古典特性。

  • 量子追想曲--成大前沿量子科技研究中心

    成大前沿量子科技研究中心的主要三大研究主軸:量子理論、量子材料、量子元件與電腦 都是當前量子科技之重大問題。

  • 眼見為憑:黑洞確實存在

    4組獨立團隊所得到黑洞剪影圖像的成像結果都非常類似。基於這種相似性,我們做成的結論是:「得到的圖像有非常高的可靠度。」

  • 望向天際的大眼睛—格陵蘭望遠鏡裡的天線與接收機系統

    這裏透過介紹格陵蘭望遠鏡接收機系統的設計測試與實際部署,讓大家更進一步了解格陵蘭望遠鏡。

  • 望向天際的大眼睛 — 格陵蘭計畫初始

    更多的望遠鏡一起參與 VLBI的觀測將會大大地提高訊號的靈敏度,而且只要能夠把這些位在地球不同角落的望遠鏡全部連線成為 VLBI 陣列,將會形成一座具有地球一般大小的「合成孔徑望遠鏡」,其所提供的影像解析力足以「看清楚」黑洞是否存在。

  • 凝視時空的深淵:黑洞剪影的故事

    黑洞影像的成功觀測也正式宣告了黑洞在事件視界尺度的天文物理研究即將進入讓人振奮的新時代!

  • 如何跟物理做朋友 ?

    當一個人忘了學校裡所學的一切,如果還剩下什麼,那個剩下的就是教育。

  • 光電效應也可以照相!

    藉由同步輻射的掃描式光電子能譜顯微儀我們可以系統性地探討單層凡得瓦材料與基材的交互作用,以及單層凡得瓦材料的本徵及其異質介面的物理化學結構。

  • 光電效應大展身手:角解析光電子能譜學

    利用光電子能譜技術,發現了材料中 Chemical Shift 的現象,這個發現對於材料科學發展的影響,悠久而深遠,時至今日,科學家仍舊持續利用這項技術,探測各種新穎材料的原子鍵結狀態,為各種材料的發現做出貢獻。

  • 點亮台灣之光,耀眼全世界:國家同步輻射研究中心

    同步輻射讓科學研究可以往更小的尺度邁進,支持著許多研究團隊進行基礎的科學研究。

  • 看見微小世界的奇蹟

    我與表面科學的相遇,應該是場美麗的邂逅吧。從一開始的懵懂,到多年後細數它的點點滴滴,身為一個對研究工作有著執著與熱情的人,想起這段「追逐原子」的歲月,都會不禁在心中泛出一抹微笑;告訴自己,這樣的人生還真的是值得了!我在1992年還是學生時,開始認識表面科學,當時只是知道它是門與固態物理相關,研究表面界面間原子分子結構的科學。在經過多年的接觸之後,我才深刻的了解這門美麗的學說與它所扮演的歷史任務。

  • 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。

  • 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。

  • 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?

  • 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。

  • 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。

  • 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。