專業 物理

  • 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?

  • 快速帆船、遊艇,與如幻似真的波浪線

    19世記約翰・史考特・羅素(John Scott Russell)的船舶設計理論承諾了速度、亦表現了優雅。然而,最終證實那個理論並不完整。

  • 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。

  • 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。

  • 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。

  • 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

  • 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]

  • 儲能裝置新進展

    綠能是未來能源的重要發展方向,但多為間歇性能源,大量推廣使用時必須搭配儲能裝置,才能維持穩定供應。本文分別介紹化學性與物理性的的儲能裝置,讓讀者了解推廣綠能的關鍵因素與未來發展方向。

  • 未來能源與減碳

    人類的食衣住行育樂通通都需要能源,經濟的發展也需要能源。但是能源的使用對環境產生很大的衝擊,尤其是造成全球暖化的溫室氣體排放。未來人類文明仍否永續發展?抑或是跟目前大量消失的物種一樣,人類逐漸步上自己鋪出的滅亡之路?端看是否能營造出兼顧經濟生活與環境生態的能源系統。

  • 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。

  • 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。

  • 磁性薄膜中之磁矩方向操控

    在磁性材料科學之發展歷史中,自旋磁矩方向操控之物理與技術一直是非常重要之研究主題。其背後原因涵蓋磁性材料之形狀、晶格結構、元素成分等多方面與基礎材料物理相關的因子。而其可應用之領域涵蓋現今資訊產業中磁感應與磁儲存等重要技術。在本文中,我們將逐步介紹幾種自旋磁矩方向操控之物理,並簡單舉例說明其於下一世代高密度資訊產業上之創新應用。

  • 藉著核物理來揭開歷史的面紗

    歷史學家會不惜以任何代價來交換回到過去的能力,然而科學家們已經想出了些巧妙的方法在此時此地拼湊出過往的真實面貌。從古埃及陪葬面具的構造到梵谷壁畫的真實性和佛羅倫斯大教堂的結構,全球對這些歷史文物的研究都成為了美國物理學會2017年3月及4月大會的主題。這些研究的成果讓我們對當日製作的這些文物有了更清晰的瞭解。

  • 磁場解心痛

    美國物理學會三月大會─由於自從1900年初起許多常見的疾病都已經可以被治癒,人的壽命大增了20到30年。然而更長的壽命時常不經意的給人類產生了一堆新的負擔,特別是對人的心臟。從1930年代起就名列死亡原因金牌的心血管疾病之完全防治仍然遙遙無期。即使現代醫學已經將心臟疾病的致死率由1979年的64%降到2014年的23%─每四個美國死亡人口之中就有一個是心臟病發作造成的,而中風也仍是高居現今死亡原因的第五名!。

  • 新鏡鑑古月

    "新近的發現挑戰了我們長久以來自認對這個地球最近鄰居-月球-的瞭解。"

  • 伽瑪射線暴簡介

    曾經有很久一段時間,高能量天文學與天體物理學誕生之前(即是觀測伽瑪射線波段的天文學),科學家認為伽瑪射線波段的的天空相對其他波段是平靜的。換句話說,我們曾經以為天空上的伽瑪射線背景輻射是沒有什麼變化的。

  • 尋找系外行星的方法

    我們可以問:是否可以直接用望遠鏡找尋系外文明,直接的證據比估算還更踏實些,最好能像收音機一樣,直接收到外星人的訊號。

  • 天涯何處有行星 - 未知的第九行星

    許多國際研究團隊如火如荼地進行尋找第九行星的觀測工作,第九行星到底存不存在呢? 相信這個問題在不久的將來就會真相大白了。