逐漸逼近古典極限

隨著各項技術的發展與應用需求的快速成長，尤其是在大數據處理與人工智能等領域崛起的現今，對於高速運算能力的仰賴與日俱增。目前在業界提升運算能力的方法，都是基植於電晶體電路體積的微縮以達到數量與密度上的提升。然而，由於原子的體積自然地定義了一個極限尺度，這種競逐微縮化的過程，終將停止於這個終點線前，無法跨越自然界所設下的這堵高牆。這個問題的根本在於，當元件設計地如此細小時，許多量子的特性便會凸顯出來甚至主導了元件的行為，這使得科學家與工程師們不能再以古典物理的框架來研究設計這樣的元件，否則無法獲得良好的解釋與行為預測。著眼於對未來發展的洞見，元件系統的各種量子特性的深入研究與量化勢在必行。成功大學的研究團隊攜手與來自日本理化學研究所 (RIKEN)、韓國高等技術學院 (KAIST)、交通大學的學者們，共同組成研究群組，探討量子系統的消相位過程與亂序環境影響下的關係，最新研究成果發表於2019年8月22日《Nature Communications》期刊 [1]，且其先導研究也於2018年1月19日發表在《Physical Review Letters》期刊 [2]。

量子科技是近年來最受矚目也最具潛力的前瞻領域，而其中的量子計算與量子通訊，被預期有可能改變人類生活，帶領人類邁入第四次工業革命的主力科技之一。其中，量子電腦更在此扮演至關重要的角色，主要原因是包含人工智慧、物聯網等各式各樣會運用且依賴強大電腦數位運算能力之科技及產業，其未來發展及所能發揮之能力都將受限於電腦的運算效能。許多專家學者因此認為，唯有成功地開發出量子電腦，方能真正發揮像人工智慧、物聯網等未來科技及產業的潛力。

事件視界望遠鏡(EHT)成功拍攝到黑洞剪影，也是人類史上首度眼見為憑──黑洞存在這個宇宙之中 。中研院天文及天文物理研究所(ASIAA)積極參與了此成功的合作計畫案。這裡將談談黑洞剪影是如何取得，還有可能會衍生的相關物理研究為何，並展望黑洞成像的未來。

近代電波望遠鏡的出現，讓天文學家們可以有更豐富多元的管道及工具來探究宇宙之秘，補足光學望遠鏡仍無法觀測到的訊號。光學望遠鏡的訊號擷取，靠的是精密的CCD照相機；而電波望遠鏡則是依靠不同頻段的電波接收機來完成。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。

2008 年，由美國學者 Shep Doeleman 主導的團隊，利用三台分別位於夏威夷州、加州及亞利桑那州的電波望遠鏡，首次實現在「次毫米」波段的「極長基線干涉技術」(VLBI：Very Long Baseline Interometry)。這次觀測的結果在2008 年 9月美國著名的《自然》科學雜誌出版了。這篇文章主要的亮點在於精確的量測到人馬座 A* 星體的結構，並推論：人馬座A* 的電波訊號主要不是源自於星體的中心，而是周圍的吸積盤。換句話說，人馬座 A* 的光源是一個類似環狀的發光體，它的中心是暗的，這個推論支持了人馬座 A* 具有「黑洞陰影」的理論。由於參與這次觀測的望遠鏡數量和相對之間的基線距離無法提供足夠的影像解析能力來直接分辨出黑洞的影像，所以它的結果還是無法斷定黑洞的存在。但是這次實驗成功，驗證了「次毫米波」VLBI 觀測方法的可行性，也讓世界上許多長年研究緻密天體的學者們都極感興奮地想摩拳擦掌，放手一搏。為什麼呢？原因是非常明顯。首先，從事這方面研究的人都知道這次參與觀測的望遠鏡只是世界上少部分的「次毫米波」望遠鏡，其它的「次毫米波」望遠鏡還有我們的「次毫米波陣列」(SMA：Submillimeter Array)、位於南極的「南極望遠鏡」(SPT：South Pole Telescope)、智利高原的「APEX」(Atacama Pathfinder Experiment)、和位於西班牙境內的「IRAM」(Institute de Radioastronomie Millimetrique, 位於 Pico Veleta)；這些望遠鏡只要再經過局部的改裝，搭配上一座精準的原子鐘，即可參與同樣的 VLBI 觀測。另外，在接下來的幾年內，還有幾個大型的「次毫米」電波望遠鏡即將完成，分別是：位於法國阿爾卑斯山的 IRAM NOEMA 陣列，墨西哥的 LMT (The Large Millimeter Telescope) 和智利的 ALMA (Atacama Large Millimeter Array)。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。當下，我們已相信擷取「黑洞影像」的成果是指日可待；這將會是一個百年來突破性的科學成果。這篇文章發表後，使得天文學家們不再問「如何」才能擷取黑洞影像，或是「何時」才會證實黑洞的存在。每個人想的是誰有「能力」運作掌控足夠的望遠鏡資源，成為第一個擷取到黑洞影像的人。這即將是一個既合作又競爭的研究工作；這場世界性的科學競賽就當下響起競賽槍聲 ——

根據愛因斯坦的廣義相對論對黑洞的描述，以及天文學家們對黑洞系統的觀測與理論逐漸累積，人們在近數十年已開始推測黑洞影像的可能面貌：黑洞影像應包含了「黑洞剪影」，以及「黑洞吸積流」與 (或)「噴流」的特徵。2019年4月10日全球首公布黑洞影像與廣義相對論和黑洞物理大致符合，但其中包含哪些天文物理的重要意義呢？這裡要向各位簡介黑洞影像的觀測、理論與挑戰。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！

一、 前言

對於教物理，我有滿腔熱忱，但對於該怎麼教才是最有效的，我就沒有什麼特別的心得了。老實講，我覺得教書其實是一件很難的事。比如說，我永遠沒辦法確定，究竟是要教「完整的內容」給學生比較好，還是將大部份的力氣花在教「學生最容易吸收的部份」對學生比較有幫助。因此，雖然我同意為物理雙月刊寫一篇與教學有關的文章，但我必須要採用比較另類的方式，否則就生不出這篇文章了。

幾經思索，我決定採用「跟大家分享學習經驗」的方式，將我的物理學習心得跟大家報告，希望能達到「眾樂樂」的效果。我相信我的學習經驗與方法對大部份從小就想當科學家的人而言是很普通的，但大多數的學生們或許並不是那麼清楚這些訣竅，因此我特別想跟學生們分享。我希望看到這篇文章的讀者們，能在學習方法上獲得一些啟發。以下我將逐項說明我的物理學習心得。這些項目的順序並不重要，重要的是它們的內容。

淺談以光電子能譜顯微術探討二維材料的微觀世界

我們雙眼若要能看見物體的存在，物體就必須要與背景的顏色、亮度有所差異，這些差異的大小可以用「對比 (Contrast ratio)」來定義。許多自然界中的生物就是利用身體的保護色降低與背景的對比以躲過天敵的追捕。因此，如果我們想要照一張清楚的照片，我們便須想辦法凸顯物體與背景的對比；當我們不斷地縮小觀察的尺度時，物體是否能被觀察到進而被研究，就必須要仰賴各種不同方式來強化物體與背景對比度，這是科學進展的重要步驟；其中的一種方式就是利用愛因斯坦光電效應的原理：「不同物體發射出來的光電子所帶的速度不同」，透過篩選特定速度的光電子形成對比，而形成一張影像，這個篩選光電子速度的技術，便稱為「光電子能譜術」。

在了解光電子能譜學相關技術之前，我們可以先來說一下相關的歷史背景，光電現象在1887年由Hertz所提出，緊接著就是1905年愛因斯坦提出了光電效應 (圖一) 的著名公式，其中 是從樣品表面脫逃的光電子具有的動能，  是入射光能量， 是電子在晶體內的束縛能，是樣品表面的功函數。光電效應公式的提出，不僅讓愛因斯坦獲得了諾貝爾物理獎，也大大的衝擊了之後科學的發展，一個是在光電效應文章提出後的五十年，貝爾實驗室發明了太陽能電池，面對現今化石燃料的枯竭，溫室效應的日益嚴重，大家可以理解到太陽能電池的發明對我們生活的衝擊性；而另一個重大的影響，就是我們文章的主題，光電子能譜的發展，在1983 年獲得諾貝爾獎的 Kai Siegbahn (圖二)，正是利用X光光電子能譜技術，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。

誕生

翻開泛黃的「同步輻射可行性研究報告」[1]，我們回到了1982年；那時，台灣的科學研究才剛要起步。1981年國科會 (現為科技部) 成立了「同步輻射可行性研究小組」，並在1982年提出了可行性的研究報告；隔年 (1983年) 10月策劃興建小組成立。策劃興建後的10年，台灣光源 (Taiwan Light Source, TLS) 首次出光，這象徵著台灣的科學研究可以往更小的尺度邁進，同時間支持著許多台灣的研究團隊進行許多基礎的科學研究，帶領著科技產業飛翔。隨著時間的流逝，2003年5月國家同步輻射研究中心正式成立了，也準備邁向下一步，創建更亮的光源。由陳建德院士領軍的台灣光子源 (Taiwan Photon Source, TPS) 同步加速器興建計畫 [2]，在2016年成功的讓台灣晉升世界亮度最高之第三代同步加速器光源設施之列。

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。

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。不僅如此，最尖端的人工智能與大數據分析要能充分發揮功用，其實非常依賴巨大的計算能力。然而，人類目前對於提升數位計算的能力，都必須得靠增加電晶體在晶片上的數量；所以，

“    工程師必須不斷地縮小電晶體內二極體的尺寸，以趕上『摩爾定律』約每兩年電晶體數目增加一倍的速度。這樣追求積體電路微縮化的過程，終究會使得電晶體電路太細小且太過緊密，此時傳導的電子將依循『量子穿隧效應』逃逸出電路的侷限而相互干擾，造成數位電路中的 0 和 1 很難被清楚的定義；接下來，在不到十年的時間產學界將面臨到積體電路微縮化至三奈米 (10-9 公尺 ) 的製程極限。”