～ 与南京大学（Nanjing University）博士生交流活动 2013  系列报导 ～

（时间：2013年10月8日至10月14日；地点：南京大学、扬州大学）

【之六】

撰文：光电所博士班学生涂定勲、尹煜峰

一早，大家怀着期待的心情，步行经过历史悠久的校园，来到南京大学的唐仲英楼，此楼是在2004年，唐仲英先生慷慨捐赠成立。它的创建以固体微结构物理和配位化学两个国家重点实验室为核心，实验室研究领域包括微电子、光电子、奈米和量子信息等领域的科学和技术。

首先我们来到了闵乃本院士及祝世宁院士等人所带领的微纳光子学的研究团队，此团队为人工微结构与量子调控协同创新中心的其中一个创新平台，提供给南京大学、中国科学技术大学、复旦大学、浙江大学、中科院合肥物质科学研究院以及其它研究单位。在后摩尔时代中，取得了不少重要突破。中心研究目标包括：(1)新型微结构材料中的量子调控技术。(2)微结构中电子、光子和准粒子运动的探索与调控。在多样化讯息传递的时代，欲使南大成为推动新一代量子通讯调变技术的创新力量，从而奠定材料和组件物理基础，最后乃能作为核心技术的重要发源地。

之后，我们来到了固体微结构物理国家重点实验室和X射线衍射与散射实验室，其近几年来在：(1)介电体超晶格、(2)奈米材料与团簇物理、(3)非平衡态物质聚积、(4)软凝聚态与生物物理、(5)高温超导与巨磁电阻研究、(6)计算凝聚态物理与材料设计，均有活跃的发展。国际著名刊物《Nature》[Vol. 389（1997）113] 曾评价固体微结构物理实验室是亚太地区“已经接近世界级水平”的研究机构之一。进到实验室内，映入眼帘的是各式各样的激光光源、超快振荡、放大系统，以及变温拉曼、XRD等材料分析系统，对于在同一个空间就能有如此充沛的研究能量，不得不令人惊艳。

在祝世宁院士团队的研究成果中，可以发现，除了致力于投入尖端的学术研究外，也可在实验室里见到其对于把实验成果商业化、产品化不遗余力，像是自行设计用来装载光路的可携式量测系统，以及小巧方便的温控系统等。在李世凤同学的带领下，我们看到了即将包装起来的倍频光源调控系统，在光学组件架设稳定后，还需要机械、电子电路设计等等才能实际投入商用，由此可见实验室对于学生要求严格、训练扎实。

而后透过万明杰同学的介绍，进入另外一间实验室参观其团队利用自组装的Polystyrene小球，透过灵活利用可变角度金属蒸镀技术制成的微结构，验证其surface plasma-polarization(SPP)效果，并和模拟结果相互印证。一般的研究人员容易偏重在实验或是模拟上，而在这里我们看到了用实验去验证理论的务实风格。

另一个令人印象非常深刻的，是魏冰妍同学所介绍，利用micro mirror投影芯片，配合一些光学组件组成的微影曝光系统。一般的微影曝光技术必须先制作玻璃光罩，才能进无尘室上光阻曝光显影，过程繁琐耗时。而利用此系统就简单多了，在计算机上画好的图案可以直接投影到样品上曝光，虽然有线宽上的限制，但已足以节省下大量的金钱时间，令人不得不佩服当初设计者的巧思和努力。

整体上我们观察到，实验室里的所有仪器都置于无尘室中，人员要进入都必须先穿上简便的无尘衣并通过air shower间，以避免粉尘污染。而整体实验室空间明亮、走道宽敞、环境整洁，大家都对于南大学生有如此的环境而有些许羡慕。而实验室也要求人员共同维护环境，在参观的时候就有碰到其中一个团队全员出动打扫，另外像是“5S，你今天做了没有？整理、整顿、打扫，整洁、素养”等贴在墙上的小标语，如此严谨的管理也令人佩服。

最后，我们也为这些在南京大学的同学们感到高兴，能够在这样一个环境下完成自己的论文。这一趟参观时间虽短，却已让我们感受到南京大学作为一所百年名校的风范。除了硬件设施健全以外，研究风格务实，管理严谨，加上优秀的师生群积极向上，必定能够兴国兴邦，为国家产业乃至尖端科研做出贡献。

【之七】

撰文：光电所博士班学生刘家伟

带着紧张又兴奋的心情，我们台湾大学的博士生与教授们在所长的带领下启程前往本次交流活动的目的地—南京大学，因候补不到直航的机位，故我们需要在香港转机，转机时还不巧遇上了台风，延迟了一个多小时起飞，所以我们到达南京时已经快晚上九点了，再来要大约两个小时的车程才会抵达这次举行两岸博士生论坛的场地—扬州大学，还因为停车与路树阻碍转弯，游览车无法开进住宿区，而走了一小段路才抵达，幸好刚到住宿地点时，南大的金晓霞老师贴心地为我们准备了每人一份麦当劳的餐点，让有些饥饿的我们感到相当开心 。

第二天开始正式进行本次参访的重头戏—博士生论坛，一开始由双方举办这次活动的长官（他们称做领导）们开始致词，王振林副院长与祝世宁院士提到了许多有关这次活动开始的一些历史因缘，如何促成本次交流活动的原因，还有介绍大学的一些特色以及各实验室不同的研究领域方向等等，让我们参与的人对这次活动有了多一些的认识。祝世宁院士还报告了一个相当有趣而且也才刚发表的题目，在芯片上面实现广义相对论的研究，实验相当巧妙而且讲述的物理也很有趣，让我留下很深的印象，台大光电所林恭如所长则是报告了有关光电所各个不同领域的研究概况。我被安排在第一天下午报告，心情难免也有些紧张，基本上报告是由南大、台大交错进行的，可以感觉到南大的学生准备得相当用心，提问也相对踊跃，台大的同学们则比较专注在聆听或与旁人相互讨论，我觉得这是两边学生表现看得出有所差异的部分 。

Professor Hao-Hsiung Lin

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 林浩雄教授

GaAsPSb is an alloy consisting of three binaries; GaP, GaAs, and GaSb. The bonds of the three binaries are highly mismatched in length. As a result, the bonds undergo strong stretching and bending when they are packed into the alloy lattice. Although the strong bond distortion leads to difficulty in epitaxial growth, the distortion, especially the bending, strongly affects the electronic band structure. Theoretical calculation showed that the randomly bending increases the bowing of the valence band. This property has been studied using photoreflectance spectroscopy and applied to heterojunction bipolar transistor (HBT) with low turn-on voltage. Fig. 1 shows the transition energies of conduction band to heavy hole, light hole and spin orbit bands of GaAs_0.64P_0.19Sb_0.17. From the transition energies, we found an unusual large spin orbital splitting of 0.363 eV, which is attributed to the bowing of the valence band resulting from bond distortion. Because of the upward valence bowing, the alloy and GaAs are in type-II band lineup. We have fabricated a HBT with p⁺-GaAs_0.57P_0.28Sb_0.15 base. Thanks to the type-II band alignment, the device shows a reduction of turn-on voltage by 70 mV, a current gain of 40, and a very low knee voltage up to J_C = 40 kA/cm². The Gummel plot and output I-V characteristics of the HBT are shown in Fig. 2 and 3, respectively.

姓名：何宗一   指导教授：李嗣涔教授

摘要

三维结构的太阳能电池，由于其独特的光电特性，在轴向上可以有效的吸收光，同时在径向上也可以提供较短的载子收集路径，使组件的能量转换效率提升。此外，三维结构可以提供大面积的吸收层覆盖，不仅有效的降低材料的利用，且相同吸收层的比较之下，能量转换效率也比无结构的组件高出许多。我们以水热法制备出三维氧化锌奈米柱数组，并成功的应用于薄膜非晶硅氢太阳能电池上。与平面无结构的太阳能电池相比较，三维奈米柱太阳能电池可以使能量转换效率增益达28%。 图一、三维奈米柱非晶硅氢太阳能电池SEM俯视图。 图二、三维奈米柱非晶硅氢太阳能电池SEM剖面图。

论文题目：以奈米碳粉/石墨/石墨烯为饱和吸收体之被动锁模掺铒光纤激光

姓名：林泳详   指导教授：林恭如教授

摘要

我们首先使用碳系材料奈米粒子作为饱和吸收体(saturable absorber)。我们制作一高增益之掺铒光纤激光(Erbium-doped fiber laser, EDFL)，并发明依简易之涂抹-擦拭-剥落法以降低石墨奈米粒子之体积(或层数)。藉此，我们能将此类锁模激光之脉冲压缩至375 fs。我们发现在高功率增益的操作之下，激光环腔内会产生极高的自相位调变效应(Self-phase modulation, SPM)。如果此效应能与群速度延迟色散(Group delay dispersion, GDD)效应互相补偿，即可进一步地压缩脉冲宽度。我们也尝试将石磨奈米粒子虹吸于光子晶体光纤(Photonic crystal fiber)中，以产生被动锁模掺铒光纤激光。 图一、掺铒光纤激光系统架构图。 图二、石墨奈米粒子经不同剥落次数之被动锁模掺铒光纤激光脉冲与光谱图。

— 资料提供：影像显示科技知识平台 (DTKP, Display Technology Knowledge Platform) —

— 整理：林晃岩教授、张劭宇 —

芯片上的重力透镜

太空中巨大的物体扮演着重力透镜的角色，将光线弯曲或是聚焦，科学家现在在芯片上创造出一个类似重力透镜的现象，并且证明它的强度足够能使光线作轨道运动 。

Arthur Eddington 爵士曾经是被称为三位了解爱因斯坦广义相对论之一人，当这个消息被他同事Ludwik Silberstein所告知时，Eddington停顿一下并且喃喃自语地说：我很好奇谁是第三位了解这个理论的人。现在，你也可以有机会了解这个理论了！根据Nature Photonics里的一篇文章，刘辉与其同事发表了一个非常聪明又简单的实验，在实验室中重现当年Eddington 用来验证爱因斯理论的著名天文实验。

这故事追溯到1919年，当时Eddington至非洲西部离岸的Príncipe岛考察，以观察即将发生在1919年5月29日的日全蚀，当日蚀开始发生时，月亮挡住太阳光，导致如白天变成黑夜而因此可以看见星星。Eddington将在太阳附近被阳光所挡住的的星星照相，他发现星星似乎会偏离原本位置一段距离，而这段偏离量正好与爱因斯坦广义相对论里预测的相同，当Eddington回至英国，他的发现和另外一批同时在巴西的Sobral考察所发现的结果，在英国皇家学会产生了共鸣，大众开始对这发现产生兴趣；并且这新闻被传至美国，当时新闻记者访问科学家以寻求解释以及评论，然而他们在自己的国家发现没有人能懂爱因斯坦相对论，失望之余，他们只好将这一个故事总结为:爱因斯坦博士说星星会偏移是因为空间扭曲之故。没有人了解这个理论，但是爱因斯坦是对的。

现在，刘辉与其同事所演示的实验说明：Eddington针对爱因斯坦广义相对论的观察结果是很容易理解的。首先，星星在日蚀期间会从原来位置偏移跟日蚀本身毫无关系，原因是那些光的行经路径是相当接近太阳的，如果平时没有月亮挡住太阳，那太阳强烈的光线就会造成Eddington所拍摄的相片大量曝光；不管有没有发生日蚀，太阳扮演一个照射体（如图1a），太阳的重力扮演着一个巨大的透镜，将星星所发出的光线做些微的偏折，而当光线越靠近太阳，这偏折的效应就越明显，因为重力而使得光偏折的效应正是广义相对论的结果。

根据爱因斯坦的理论，重力是时空的弯曲程度，这一开始或许会让人有点无法理解，不过下面有很好的诠释，爱因斯坦当时对“重力是最普遍的一种力”这个事实感到非常困惑，在没有其它外力存在时，所有物体经由重力作用下都会以相同形式掉下去，无论这些物体是由什么做成的或是物体到底有多重，只有速度决定物体的命运。举例来说，当你丢一颗石头，它会掉下来；但是如果你以逃脱速率丢一颗石头，它就会跟卫星一样绕着地球跑，每个东西与每一个人在重力下都是相同的。爱因斯坦问的问题是：为何重力可以那么普遍？最简单可以被大家想到的概念就是时空，因为所有物体都居住在空间中并且存在于时间里，想象一下时空扭曲了，它会改变光线的路径而不再直线前进，唯一会影响物体的因素就是在某一时刻所经历的空间对时间的比值（也就是所谓的速度），时空的扭曲解释了重力的普遍性，光是宇宙里最快的东西，但是如果时空扭曲了，重力也会影响光，改变光的行径路线就像Eddington所观察到的，崩溃的星球存在的强大重力场甚至会限制住光线使光线在封闭轨道做运动（如图1b）。

在光子学里，使光曲折是一件平常的事，在具有折射率变化的透明物质里，这种事情是一直存在的，这种GRIN物质除了会使光偏折外，也会让光偏折的趋势和时空扭曲造成的效果一样，这是由于光线所走的路径是需要花费最短时间的路径，因此在较高折射率下光线就会花比较长的时间走完，我们可以用折射率对光路径的影响来模拟重力对光路径的影响；如果我们将时空的扭曲以变化的折射率物质取代的话，那么要了解爱因斯坦广义相对论就很容易了。

藉由广义相对论以及GRIN物质之间的联想，刘辉及其同事将重力透镜这个概念应用在积体光子芯片上，在芯片上，光在透明塑料中传递，透明塑料扮演着平面波导的功能，将光线限制在芯片的表面，藉由这种方法，光线就只能在二维的平原上传递。Smolyaninov及其研发团队利用一种简单又聪明的方法，做出一个弯曲平原来模拟出二度空间中空间的扭曲，这是一种利用楔形波导的方法，他们在塑料还是热的时候将一个玻璃微小球放到芯片上面，这时候塑料会吸附于微小球周围，而越厚的塑料层代表越大的折射率，这种折射率分布正与星星的时空几何分布有着良好的近似。

折射率分布扮演着空间弯曲的角色，在相对论以及光子学里，空间描述光是如何行进的，在广义相对论中，不是只有光线会被重力影响而偏折，任何其它东西皆会因重力偏折，空间告诉我们物体如何移动；然而在广义相对论中，物质也是产生重力的一个原因，物质告诉空间如何扭曲，正是因为物质的质量而造成重力，这个现象与光子学所描述的不相同，光子学描述的是物质的折射率分布跟质量无关，但是现在经由这个聪明的实验设计，这种折射率分布可以近似于巨大星星造成的空间扭曲。

这个装置不仅可以模仿Eddington在1919年观察到星光的偏折现象，它也可以重现一些目前航天员还没观察到的重力造成的现象，折射率很大时以至于能将光线沿某一轨道运行，例如卫星在崩塌的星星周围运动；当光线太靠近微小球时，它甚至会掉进这个星星的类似体，就像光线被吸收了一样。然而刘辉及其同事无法利用GRIN物质重现类似黑洞的现象，黑洞会将通过其事件视界下的所有物体都给吞噬掉，而被吞噬掉的物体将会永远消失；相反地，对于GRIN物质来说，将光线依原路径做逆运动是很有可能的，意思就是当光从A跑至B，那它也可以从B跑回A，换句话说，光可以进去但是也可以出来，这种事情对黑洞来说是不可能发生的。

然而，芯片上的微小球对于捕捉光线是很有效的，这个装置不仅在教学上（解释广义相对论）有很大的价值，它同时在积体光学里对于捕捉光线也有很多的应用，有谁会料想到广义相对论，这个理论在当时或许只有三个人了解它，但会在未来的某一天有着实际的应用呢？就像法拉第在1850年被他的首席税务员问到关于新发现的电的定律到底有何实际应用一样，而他的回答是：总有一天你会因为这个定律而征税的。