2016-06-13
後排左起:David Rees博士、林志忠教授、Kimitoshi Kono博士 後排左起:David Rees博士、林志忠教授、Kimitoshi Kono博士
2012年交通大學與日本理化學研究所(RIKEN)攜手建立前瞻基礎科學聯合研究實驗室,隔年RIKEN購置尖端極低溫儀器設備運抵交大。在儀器設備順利運轉三年後,交大─日本理研聯合實驗室第一篇論文誕生,揭示微奈米尺度下電子移動現象的全新視角,發表於極具指標性的國際專業物理期刊《物理評論快報Physical Review Letters》,此一國際性突破研究,展現交大理學院邁向國際舞台的亮眼成果。
 
論文《Stick-Slip Motion of the Wigner Solid on Liquid Helium》第一作者為聯合實驗室英籍助理研究員David G. Rees博士,其餘作者包括交大物理所林志忠教授、日籍交大講座教授Kimitoshi Kono博士、俄羅斯喀山大學博士生Niyaz R. Beysengulov,為橫跨英、台、日、俄的跨國合作研究。除獲選為Editor’s Suggestion,《物理評論快報》更邀請國際權威、美國密西根州立大學物理系Mark Dykman教授撰寫引薦短文,同步刊登於美國物理學會雜誌《Physics》,獲國際重視程度可見一斑。
 
David G. Rees博士表示,研究首先以低溫讓氦氣成為液態氦,再以燈絲通電釋出電子,部分電子會停留於液氦表面,因電子間電荷的排斥現象,使電子在液氦薄膜上會形成排列有序且等距的二維電子晶體,稱作維格納晶體(Wigner crystal)。帶有負電的電子降落後,極化液氦表面產生形變,出現週期性的波峰和波谷,在波谷中靜止的電子被液氦表面黏著住(stick)。
 
為持續探討電子的運動現象,以電場施加外力推電子,當外力達到臨界值時,電子脫離液氦表面的黏著而滑動(slip),當電子開始滑動,其所受的外力驟降,重新被液氦表面黏著住,形成嶄新的黏著與滑動現象,此為自然界所能產生最小摩擦力的系統,也是學界領先發現世界最小尺度的摩擦力系統。
 
團隊自電子跟環境作用力中學得新的電子移動概念,未來將嘗試控制單顆電子,調變其量子態,使成為單顆電子組成的量子位元。多個量子位元構成量子電腦,執行量子計算,可破解高端機密密碼、運算最大質數及精密預測氣候。二維電子晶體同時也是世界上獨一無二、接近完美無缺陷的系統,可作為理想模型以理解其他電子系統的黏著與滑動現象。例如已運用於產業界的三五族化合物半導體,其二維電子與晶格原子存在類似的黏著現象,但因其時間尺度過短難以研究,團隊研究將有助於深刻理解電子在半導體中的動力學。
 
國際性突破研究在交大低溫物理實驗室完成,展現交大—日本理研聯合實驗室跨出紮實的第一步。基礎研究需要時間醞釀、發酵然後成長結果,聯合實驗室成功運作有賴眾人努力,及張俊彥、吳重雨、吳妍華、張懋中校長全力支持交大與日本理研的雙邊合作,包括聯合培養研究生及探討前瞻科學課題。理研也邀請國際學者前來訪問交流、舉辦學術研討會,大幅提升交大研發能量與國際能見度。同時感謝「前瞻跨領域基礎科學中心」對基礎科學研究和國際化的堅定信念與無私支持;2016年科技部規劃資助六件「台灣—日本理研雙邊合作研究計畫」,交大物理和化學領域就爭取到三件,值得肯定。
 
林志忠教授表示,RIKEN肯定交大理學院有能力進行前瞻基礎科學研究,故選擇在交大而非國內其他大學與研究機構建立聯合實驗室。大學有義務發現科學新知識、促進人類文明提升並貢獻於宇宙,交大—日本理研聯合實驗室為交大開創新局,是邁向頂尖大學的亮麗突破,也是交大教學和研究走向多元發展的重要助力。
 
美國物理學會《Physics》網頁連結:http://physics.aps.org/articles/v9/54

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