第132期 2017年8月刊
 
 
 
發行人:林恭如所長  編輯委員:吳肇欣教授  主編:林筱文  發行日期:2017.08.30
 
 

本所博士生梁瑋倫同學參加研討會「The 7th International Multidisciplinary Conference on Optofluidics 2017 (IMCO 2017)」,榮獲「Best Paper Award」(蘇國棟教授指導),特此恭賀!

本所碩士生黃丞顗同學參加研討會「The 24th Congress of the International Commission for Optics (ICO-24),榮獲「OSA/SPIE Student Paper Award」(林恭如教授指導),特此恭賀! 

 

 

 
 
     

光電所參與歐盟 European Master of Science in Photonics (EMSP) 碩士雙學位計畫  系列報導 ~

【之八】

撰文:光電所碩士班學生陳廷豪

在歐洲這一年去了不少國家,體驗了不同國家不同城市的特色,比起當個觀光客走馬看花,我更喜歡體驗在地人的生活,每到一座城市總會去超市和菜市場看看,有時會選擇住Airbnb與當地人交流,透過對談了解當地人的想法與文化差異。例如在華沙,讓我印象最深刻的不是老城區的風采神韻,而是住在Airbnb與一位女建築師的閒話家常。那天下午逛超市突然決定要買食材回住的地方煮,問了女屋主是否願意共進晚餐後,我們便在超市買了一些食材,決定煮中式炒飯,以餐桌外交的方式開啟我們一整晚的話匣子。這位波蘭女建築師曾在英國留學,英文流利的她現在是self-employed,也就是自己當老闆接案工作,對我來說,她更像是個藝術家,從她的住處就可以看出,牆上掛著她藝術家朋友的作品,屋內擺了各種裝飾品點綴這間房子,在她的房間可以看到她自己做的實體模型,她認為只用電腦設計沒有靈感,她更偏好做出模型去感受,在她的言行舉止間透露出濃濃的藝術家氣息,後來我就改稱她為藝術家了。我們也聊了教育,台灣人從小就為了升學必須努力苦讀,上完課還必須要補習,然而波蘭不是這樣,他們傾向讓小孩快樂學習,在學習過程中找到自己喜歡學的科目,父母不會設限小孩一定要當醫生或律師才有成就,行行出狀元的思想在他們心中根深蒂固。後來在女屋主的男友回來加入後,那晚我們聊得非常盡興。旅遊的過程中與人之間的交流比起逛教堂或是博物館還要令人印象深刻,而這也是我最愛的旅遊方式。

一直以來我總是以身為台灣人為傲,總是不畏懼大聲說出我來自台灣,總是積極介紹台灣,總是邀請認識的人來台灣看看。在國外看到台灣人、台灣的品牌、台灣的國旗更是開心,總不忘驕傲地拍張照,雖然我們是小國,但台灣人的視野不小,處處可以看見台灣人留下的蹤跡,舉凡德國紐倫堡教堂裡的祈福記錄本、立陶宛青年旅館的牆壁上、克羅埃西亞失戀博物館的牆壁上、在倫敦的攝政公園跨年時旁邊就坐著一位台灣人、在義大利佛羅倫斯的小吃店遇到一位穿著T-shirt上繡著台灣地圖的義大利人......,這些點點滴滴都讓身為台灣人的我感到驕傲。每一位到國外的台灣人都是台灣的大使且代表著台灣,因為台灣人的高水準,讓很多國家給予台灣人免簽的待遇,我也期許我們台灣人能繼續在全世界發光發熱。【全文完】

圖一、在女建築師家所煮的晚餐

圖二與女建築師自拍

圖三立陶宛青年旅館牆上寫著"夭受讚"

圖四克羅埃西亞失戀博物館牆上的文字

 

撰文:光電所碩士班學生吳鎮國

留學歐洲一年,認識了許多不同背景與種族的人,我看到了每個人對生活的態度及方式都不太一樣,但都是忠於自我,過得不錯且快樂。例如,我歐洲的朋友們都是對理工有興趣才會選擇讀大學的理工科系,不像我個人的經驗,以前聽說理工科比較好找工作,於是就埋頭苦幹努力考大學,而不是及早思考找資料,且問自己這些選擇是我未來想要的生活嗎?當然這個例子是個很簡化的論述,但這一年提醒我,做每個決定前要不停地思考,不管是人生的抉擇還是執行工作任務,先想好,總是比較有效率也比較有熱情。

我們在前幾篇的文章中花了不少篇幅提及歐洲生活的優點,不過我們畢竟只是一年的客人,大家當然對我們都很友善,但真的要在異地生活也是很辛苦的。有認識在當地深耕的台灣朋友在找工作的時候多少會遇到種族歧視,或者比較難融入團體,且有大半的薪水都拿去繳稅(例如在比利時工作,大約要繳50%的稅),且常常要忍受冗長的行政手續。不過,每人擁有30天的特休假,上班文化不鼓勵沒頭沒腦地加班,鼓勵work smart,且可以有和許多不同文化背景的人合作的經驗,如果有機會回去歐洲打拼,我會努力去爭取。

每個地方都有獨特的優點,也有難解的缺點。由於根特是一個大學城,治安相對較穩定,生活步調很舒服。但到了大城市,例如布魯塞爾、羅馬、巴黎,可以看到城市氛圍非常複雜,隨時要警覺東西被偷竊或者行搶。而我們留學的那一年也發生了好幾次的恐怖攻擊,這些不一樣的緊繃是在台灣生活所遇不到的,這也是透過這個EMSP碩士雙學位計畫讓我們出去所要學習的東西。

感謝臺大光電所提供這次機會,讓我看看不同的世界,親自體驗、享受增廣見聞的感覺。鼓勵學弟妹把握機會申請EMSP碩士雙學位計畫,趁機建立與歐洲的連結,也許之後走的路會更廣闊。【全文完】

 

撰文:光電所碩士班學生陳世昌

成為一個大的政治經濟共同體,帶來的絕對不只有交通便捷及文化交流頻繁等優點而已,各國在治安及經濟等方面也需要作出許多的因應策略。

在比利時念書的這一年適逢歐洲恐怖攻擊頻繁的時期,交通便捷及邊境審查取消的因素使得犯罪活動的流動更為順暢,整個歐洲的治安基本上是連動的,在法國發生了恐怖攻擊,其他國家也都會跟著人心惶惶,人民對於隱藏的危險因子的警覺意識也跟著提高。此外,一些人種組成較複雜或是經濟實力較弱勢的地區,往往都會變成犯罪活動的溫床。在立陶宛的Vilnius旅遊時,曾經參加了一個Free walking tour1,當隊的導遊志工就指出,立陶宛從21世紀初加入歐盟後,國內犯罪率及國際罪犯出沒率就一直節節升高,迫使當地政府得投入更多資源在治安的維護上,這對他們及其他東歐國家而言無疑是一大額外負擔。相同地,身為歐盟之心的比利時布魯塞爾,人種組成極為複雜,警力也被特殊又複雜的比利時行政體系妨礙,無法有效滲透整個轄區,再加上交通便利等因素,成為不少罪犯的藏匿處,在恐攻活動頻繁時期的交通要站,更甚至於市中心街道上都可以看到全副武裝配槍的巡守人員,走在路上心情也會格外沉重,所幸根特相對純樸也安全一些,當時我們只有一些在布魯塞爾的研討會既定行程受到影響而延期。

在歐洲共同體這樣的環境中,小國想要出人頭地勢必得發展出自己的特色產業,例如愛沙尼亞的IT產業及盧森堡的金融業;而在攸關民生需求的農林漁牧業上也需要有應對的措施。某次曾經在飯桌上跟比利時朋友聊到此議題,他說在比利時超市中的肉品、牛奶以及雞蛋等食材,絕大多數都是倚賴從東歐國家進口,因為比利時在這方面的生產成本太高,然而政府也沒有完全放棄該產業,仍然以各種優惠措施補助比利時農民,使自產的數量大概維持在市面總量的30%左右,當戰爭或歐洲內部政治經濟的突發狀況發生時,人民不至於受到過於嚴重的衝擊。我想國土面積跟比利時差不多大的台灣,在亞洲或甚至是全球的處境應該蠻類似的,或許我們也能在他們身上看到或反思出一點未來的可行策略吧!

最後,儘管歐洲存在著前述的治安問題,但整體而言,平時歐洲仍然算是很安全,在旅行期間只要主動避免掉一些潛在的危險人事物,想獨自當個背包客闖闖是沒有問題的,我們這一屆參加臺大EMSP碩士雙學位計畫的5個人也都曾多次獨自走訪歐洲各大大小小城鎮。還記得在寒假時,自己跑到了華沙跟布達佩斯去遊玩,在青年旅館內認識了一群就讀加泰羅尼亞理工大學的西班牙學生,之後就加入他們的行程,跟著他們在冷風中共飲熱甜酒認識新城市、在晚餐餐桌上玩丟球罰啤酒的遊戲,以及連續兩晚都衝夜店跳舞的熱血事蹟(這大概也是我唯一一次去歐洲夜店的經驗了),這些種種都成為事後很難忘的回憶。因此,很鼓勵大家放心地去歐洲旅行,也建議之後參與EMSP碩士雙學位計畫的學弟妹,在兼顧課業之餘多計畫去歐洲各地走走。【全文完】

1 該活動在歐洲各城市幾乎都有,由當地志工帶領報名者以步行方式參觀城市內的主要特色景點,過程中可以得知不少旅遊書上沒有的知識,結束後再自由決定是否給予小費及小費額度。

 

撰文:光電所碩士班學生許晏翔

如先前文章所述,比利時位處歐洲樞紐,交通便利,加上歐洲本身發達的交通網絡,非常推薦利用課業之餘,來幾次或長或短的自助旅行,體驗當地人的生活,細細品味各國歷史、風景、美食,讓書本上的知識變成親身體驗。為此,我非常推薦利用Airbnb或Booking等平台訂民宿,比起一成不變的連鎖商務旅館,直接入住當地人家、和房東互動,能夠更深刻地瞭解一個城市的生活節奏,除此之外,還有機會請房東推薦一些私房景點,或者一起規劃未來幾天的行程。多數經營民宿的房東都不會吝於分享,只要勇於破冰、態度誠懇,相信旅途結束後,馬上又多了幾位異國朋友。

以下介紹兩個我個人特別推薦的城市:

柏林

到柏林旅遊時適逢耶誕連假,天氣清冷,路上行人寥寥無幾,許多店家暫停營業。住的地方在柏林火車總站附近,不像是其他大都市的火車總站,柏林車站周遭相當荒涼,建築工地遍布,在耶誕假期期間更是人煙稀少,活像空城。起了個大早到街上找麵包店買早餐,看到寫著Berliner Mauerweg的指標,意思是「柏林圍牆徑道」(http://mauerweg.com/)。喜歡讀歷史的我,忽然興起了「何不沿著(曾經是)柏林圍牆走一段呢?」的念頭,沒有想太多馬上上路,一路上經過了住家、紀念碑、墓園、運動公園、鐵路…...,街景平凡得彷彿柏林圍牆從不存在一般,唯有街邊經常出現的Berliner Mauerweg指標和地上偶爾現身的「BERLINER MAUER 1961-1989」地標,靜靜地提醒世人這塊土地上發生的戲劇性歷史事件。

沿著圍牆,很順利地走到柏林圍牆紀念館,看著方才走過的街道,與美蘇冷戰時期的檔案照片對比,想著這不到三十年的時間所發生的鉅變、想著照片裡的人們在當時世界格局下的無奈、想著現在的我們往來世界各國的自由自在…...。緊湊的時間表把沉浸在歷史感中無法自拔的我喚醒,前往下一個目的地—德國國會大廈(Reichstag),它有著巴洛克式建築外觀,加上綠建築玻璃穹頂,古典與現代的組合。裡面除了各政黨的辦公室、國會議員議事廳、檔案文庫,還有許多裝置藝術訴說著德意志聯邦共和國的近代史。聽著導覽的講解(發音標準的英文),看著蘇聯紅軍在1945年攻入國會大廈時留下的彈孔和大量塗鴉,和來自世界各地的遊客在總理梅克爾辦公室前合影,又是一次現實與歷史交錯的奇妙體驗。

(這邊稍作提醒:身為德國每年參觀人次第二名景點的德國國會大廈,必須要先上網預約才能參觀,請記得務必於預約時段前往,從指定出入口進入參觀。)

巴塞隆納

無論你的興趣是建築藝術、登山健行、品嘗美食、window shopping,在這裡都可以一次滿足。整個巴塞隆納充滿了建築大師安東尼‧高第的設計理念—以自然為師,街燈、地磚、人孔蓋上,蟲魚鳥獸、花草樹木活靈活現,連交通警示牌上的人物也彷彿在跳舞,整座城市生機盎然、活潑奔放,集其大成者,非本市地標—聖家堂莫屬。從誕生立面進入教堂,彷彿走進一座森林,承重的巨柱如古木參天,自然光線透過彩繪玻璃為室內提供照明,隨著時間流轉,色彩變化萬千,使人讚嘆之餘,卻又不失莊嚴肅穆。登上受難塔(Passion Towers),眺望巴塞隆納如棋盤般整齊的街景,想像過了十年正式完工後,會為這座城市帶來何種新風貌。

離市區約兩小時的車程(包含纜車),可到達加泰隆尼亞聖山—蒙特塞拉特。為了躲避宗教迫害及戰亂,數百年前的僧侶們到蒙特塞拉特山上修築修道院,中間又經歷了拿破崙戰爭、西班牙內戰等大小戰事,屢次整修後,又因為水土保持等原因不得不關閉進行維護,直到近年才再度開放。許多遊客為了一睹黑面聖母而大排長龍,我則對能夠登高望遠、體驗苦行僧篳路藍縷朝聖的健行路線感興趣,故直接朝蒙特塞拉特山區最高點Sant Jeroni出發,一路欣賞礫岩地形因侵蝕所形成的特殊地景,邊眺望山腰上越來越小的修道院。

欣賞壯觀美景、絢麗建築之餘,也別忘記填飽肚子。若有時間親自下廚,可以在市場選購來自地中海的海鮮,價格實惠外滋味更是一流。若旅途行程緊湊,巴塞隆納隨處可見的Tapas店和西班牙海鮮飯餐廳將立即滿足你的味蕾,別忘記搭配一杯Sangria或本地特色啤酒,用所有感官細細品味這座多采多姿的城市。

在歐洲旅遊,常常感嘆自己學識淺薄,因為整個環境所承載的歷史、文化,實在太過豐富;一條平凡的街道、一座普通的公園,都可能因為曾經出現在一齣戲劇或一部小說裡,甚至是某個關鍵的歷史轉捩點,而變得不平凡、不普通,甚或意義非凡。若沒有足夠的學識文化背景,難得的旅程就容易流於走馬看花、拍照打卡。所以,在開始歐洲的行程之前,建議先對目的地國家的地理環境、風土民情、政治經濟、開國歷史和近三十年的近代史等該國國民常識有基本瞭解。讀萬卷書也要行萬里路,帶著理論的觀察才會成為知識,出發前把功課做足,才能好好用心感受孕育無數偉大思想、形塑了現代世界的歐洲。【全文完】

 

 

 
     
 
 

Broadband optical waveguide couplers with arbitrary coupling ratios designed using a genetic algorithm

Professor Ding-Wei Huang

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

臺灣大學光電所 黃定洧教授

In this work, we present a generalized design of broadband optical waveguide couplers with arbitrary coupling ratios on the silicon-on-insulator platform. The device is segmented into 34 short sections, where the propagation constant and the coupling coefficient of each section are viewed as variables during the optimization process. The optimal variable combination is determined by a genetic algorithm. We can achieve a performance superior to that of other design methods with fewer degrees of freedom. For 75%/25%, 50%/50%, 25%/75%, and 0%/100% couplers, the device lengths are 34 μm and the ±2% bandwidths are all in excess of 100 nm at the central wavelength of 1580 nm.

Po-Han Fu, Yi-Chou Tu, and Ding-Wei Huang* (2016, Dec.), “Broadband optical waveguide couplers with arbitrary coupling ratios designed using a genetic algorithm,” Optics Express, 24 (26), pp.30547-30561. (SCI)

Fig. 1. Schematic of the broadband optical waveguide coupler.

Fig. 2. Output power versus wavelength for λ = 1500 – 1660 nm calculated by the CMT, BEM and FEM.

 

Mechanical Bending Effect on the Performance of Flexible Complementary Oxide-TFT-Based Circuits Employing n-ZnO and p-SnO TFTs

Professor I-Chun Cheng

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

臺灣大學光電所 陳奕君教授

Complementary thin-film transistor (TFT) circuitry consisting of inverters is the building block for realizing integrated logic circuits on large-area and/or flexible substrates. Although numerous oxide-TFT circuits have been reported previously, most of them were based on n-channel MOSFET (NMOS) technology. Here, we report flexible fully oxide-based complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) inverters and ring oscillators by the monolithic integration of flexible n-channel zinc oxide (ZnO) and p-channel tin monoxide (SnO) thin-film transistors (TFTs) on polyimide substrates. The TFTs have an inverted-staggered bottom-gated structure and were fabricated by a low-temperature rf-sputtering technique. The static voltage gain of a flexible oxide-TFT-based CMOS inverter with a geometric aspect ratio of 5 is ~12 at a supplied voltage (VDD) of 12 V. An oscillation frequency of ~18.4 kHz is obtained from a five-stage flexible oxide-TFT-based CMOS voltage control ring oscillator at VDD of 12 V. The mechanical bending effect on the electrical performance of the on-foil devices and circuits is then investigated by mechanical bending tests. The results show that the static voltage gain of the CMOS inverter and the peak-to-peak voltage and oscillation frequency of the ring oscillator decrease as the outward bending curvature (tensile strain) increases, while the influence of the inward bending curvature mechanical (compressive strain) is negligible.

Fig. 1. (a) Static voltage transfer characteristics and voltage gain curves at different supplied voltages of the flexible oxide-TFT-based CMOS inverter. (b) Static voltage transfer characteristics of the CMOS inverter operated at VDD = 12 V under various bending levels. Inset: The static gain value of the CMOS inverter as a function of bending curvature.

Fig. 2. (a) Output waveform of a five-stage flexible CMOS ring oscillator. (b) Oscillation frequency and peak-to-peak voltage value as a function of bending curvature.

 

Application of localization landscape theory of disorder in semiconductors. Application to carrier localization, absorption, transport and recombination in light emitting diodes

Professor Yuh-Renn Wu's laboratory

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

臺灣大學光電所 吳育任教授

This work was the collaboration work with France team in Ecole polytechnique in Paris and UCSB SSLEC in united states under the support of Taiwan-ANR collaboration project. The goal is to directly apply the localization landscape theory into the simulation program in order to achieve an efficiency way for obtaining the effective quantum potential. In the first PRB paper, we try to prove that by solving the localization landscape u to obtain the effective quantum potential 1/u, we can bypass the time consuming process of solving Schrodinger equation eigen value problems.

Fig. 1. Schematic structure of the self-consistent Poissonlandscape model allowing us to bypass solving the Schrödinger equation. [1]

Fig. 2. (a), (c) The conduction band potential (Ec) and effective quantum confining potential (Wc) for m-plane (top) and c-plane (bottom) double-period SLs. (b), (d) The corresponding integrated density of states (IDOS). [2]

As shown in Fig.2, by solving the localization landscape, we can obtained the effective quantum potential Wc as shown in red line in Fig. 2(a) and 2(c). By applying the distribution of quantum potential to obtain the integrated density of states, it would be close to the result of Schrodinger eigen solver. However, the speed is a few order faster.

In the second paper, we try to apply the landscape theory in the 3D modeling to explain the Urbach tails in semiconductors related to compositional disorder. The Urbach tail observed in InGaN alloy quantum wells of solar cells and LEDs by biased photocurrent spectroscopy is shown to be characteristic of the ternary alloy disorder. The broadening of the absorption edge observed for quantum wells emitting from violet to green (indium content ranging from 0% to 28%) corresponds to a typical Urbach energy of 20 meV. Our 3D model is used for obstaining the effective potential in disorder. This model incorporating compositional disorder accounts well for the experimental broadening of the Urbach tail of the absorption edge. For energies below the Urbach tail of the InGaN quantum wells, type-II well-to-barrier transitions are observed and modeled. This contribution to the below-band-gap absorption is particularly efficient in near-ultraviolet emitting quantum wells. When reverse biasing the device, the well-to-barrier below-band-gap absorption exhibits a red-shift, while the Urbach tail corresponding to the absorption within the quantum wells is blue-shifted, due to the partial compensation of the internal piezoelectric fields by the external bias. The good agreement between the measured Urbach tail and its modeling by the localization theory demonstrates the applicability of the latter to compositional disorder effects in nitride semiconductors.

Fig. 3. Absorption curves for InGaN/GaN structures of different indium composition at 0 V computed using the 3D theoretical model incorporating compositional disorder and QW electric field as a function of different smoothing parameters (dashed line). The responsivity curves measured by BPCS of InGaN/GaN solar cells of different indium composition at 0 V are also shown (continuous lines). [2]

In the third paper, we finally apply this model in studying the carrier transport and recombination. We provide a novel method to account for quantum disorder effects into the classical drift-diffusion model of semiconductor transport through the localization landscape theory. Quantum confinement and quantum tunneling in the disordered system change dramatically the energy barriers acting on the perpendicular transport of heterostructures. In addition, they lead to percolative transport through paths of minimal energy in the two-dimensional (2D) landscape of disordered energies of multiple 2D quantum wells. This model solves the carrier dynamics with quantum effects self-consistently and provides a computationally much faster solver when compared with the Schrödinger equation resolution. The theory also provides a good approximation to the density of states for the disordered system over the full range of energies required to account for transport at room temperature. The current-voltage characteristics modeled by three-dimensional simulation of a full nitride-based light emitting diode (LED) structure with compositional material fluctuations closely match the experimental behavior of high-quality blue LEDs. The model allows also a fine analysis of the quantum effects involved in carrier transport through such complex heterostructures. Finally, details of carrier population and recombination in the different quantum wells are given.

Fig. 4. (a), (b) The perspective views along the z direction of vertical transport of the 1/ue and z component of current (Jz), respectively. (c), (d) The 1/ue and Jz value in the midplane (x-y plane) of the third QW. All figures are solved by 1/u-Poisson-DD model, where the LED current density is 20 A.cm-2.

All these simulation tools are shared at http://yrwu-wk.ee.ntu.edu.tw, where users in academics can download for usages.

References:

1. Marcel Filoche, Marco Piccardo, Yuh-Renn Wu, Chi-Kang Li, Claude Weisbuch, and Svitlana Mayboroda, "Localization landscape theory of disorder in semiconductors I: Theory and modeling", Phys. Rev. B, 95, 144204, April, 2017. DOI: 10.1103/PhysRevB.95.144204

2. Marco Piccardo, Chi-Kang Li, Yuh-Renn Wu, James S. Speck, Bastien Bonef, Bob Farrell, Marcel Filoche, Lucio Martinelli, Jacques Peretti, and Claude Weisbuch, "Localization landscape theory of disorder in semiconductors II: Urbach tails of disordered quantum well layer", Phys. Rev. B, 95, 144205, April, 2017. DOI: 10.1103/PhysRevB.95.144205

3. Chi-Kang Li, Marco Piccardo, Li-Shuo Lu, Svitlana Mayboroda, Lucio Martinelli, Jacques Peretti, James S. Speck, Claude Weisbuch, Marcel Filoche, and Yuh-Renn Wu *, "Localization landscape theory of disorder in semiconductors III: Application to transport and radiative recombination in light emitting diodes.", Phys. Rev. B, 95, 144206, April, 2017. DOI: 10.1103/PhysRevB.95.144206

 

     
 
 
論文題目:應用於光學身份辨識之可調變微型貓眼回射器陣列

姓名:張智傑   指導教授:蔡睿哲教授

 

摘要

回射器在光學辨識系統(Optical ID system)中扮演重要角色—光學標籤(Optical ID tag),回射器能將入射光沿著原方向將光傳回,透過回射器的回射特性能增加資料傳輸的安全性及辨識準確率。本研究提出兩種不同設計的可調變貓眼回射器陣列,依調變機制不同分高分子分散液晶(PDLC)薄膜為中間調變層的貓眼陣列,和利用微機電(MEMS)所製作的貓眼後模組晶片。貓眼回射器是由前聚焦微透鏡和後反射面鏡所構成,我們製作的貓眼陣列能運作於特定角度,確保元件所夾帶的資訊安全。

圖一、光學標籤應用於光學身份辨識系統示意圖

圖二、MEMS貓眼回射器運作示意圖

 
 
 

— 資料提供:影像顯示科技知識平台 (DTKP, Display Technology Knowledge Platform) —

— 整理:林晃巖教授、王子聖 —

實現3D拓撲孤立子

拓撲孤立子是在非零霍普(Hopf)指數值分類中的連續物理場中的繩節。儘管它們在物理學的許多分支(從基本粒子到凝聚態物質和宇宙學)理論中都出現過,但在實驗上仍然對其難以捉摸,並且知之甚少。當映射到3D物理場時,被稱為hopfions的3D拓撲孤立子,是真正的數學、拓撲學及物理學的珍珠。它們是數學中著名的霍普振動之物理實現。然而,雖然它們有被預測到存在於不同的物理系統中,但至今還未有許多可靠的實驗展示這個預測。

現在,位於美國波德(Boulder)的科羅拉多大學(The University of Colorado)之Paul Ackerman和Ivan Smalyukh,介紹了一種在手性向列型液晶中實驗生成及數值分析這種局部結構的方法(見圖1)。他們展示繩結場的配置可以被嵌入到物理領域的一個統一背景中,作為實際物理系統中的穩定配置。從液晶顯示器的新模式到數據存儲和自旋電子學,這些發現將為許多應用鋪平道路。

圖1中,(a)–(c)是3D拓撲孤立子的閉環預圖示例,其對應於(a)是用於向量化n(r)的S2上的兩個不同點(使用錐體表示),(b)與(c)是S2/Z2上的兩個不同點和非極性n(r),其中將基態歧管S2/Z2描繪為具有透過著色識別的徑向相對點之球體,並使n和 - n為取向不可區分。值得注意的是(b)中直徑相對的點會同時出現,這樣對於矢量化之導向量場而言,S2/Z2上的兩個點才會是S2上的四點。(d)與(e)是嵌入在均勻遠場n0中的3D拓撲孤立子閉環預圖的Hopf圖之插圖,(d)是用於矢量化n(r)的S2基態分支及(e)是對於非極性n(r)而言,液晶的S2/Z2序參數空間。示意圖顯示了駐留在嵌套環面的樣品3D空間中hopfion之圓形預製圖,並與S2或S2/Z2上的顏色編碼點(圓錐體)相對應。(f)與(g)是所研究的與同一液晶樣品共存的局部場配置的偏振光學顯微照片。這些圖像是在兩交叉偏振器之間所獲得(白色雙箭頭所示)。在顯微照片中所看到的具有十字的綠色小圓圈顯示用於操縱這些天然存在的局部場配置的不可見紅外線雷射陷阱之位置 。
 

 圖1、手性向列型液晶中的3D拓撲孤立子

Smalyukh向Nature Photonics表示說他們的研究小組長期致力於軟性凝態物理學,光子學和拓撲學的研究,對這些結構的實驗,數值和理論研究可能是他們所能做的最令人興奮的事情,這也正是他們致力在這些領域的原因。

Ackerman和Smalyukh使用全像雷射鑷子可靠地生成3D拓撲孤立子,然後利用3D非線性光學成像來詳細探索它們。在1,064 nm操作波長的摻鐿光纖雷射器和純相位空間光調制器被集成到全像雷射鑷子的裝置中,該裝置能夠在液晶內產生雷射光強度的任意3D圖案。雷射鑷子還與基於三光子激發螢光偏振顯微鏡的3D成像裝置集成,以實現孤立子的全面光學生成、控制及非破壞性成像。

以類似於數學Hopf映射的方式,Ackerman和Smalyukh所演示的方法是將所有介質點的序參量空間與3D孤子內的閉環預圖相關聯。作者展示了以前在理論和實驗中尚未實現的,具有不同打結的向列場的自然發生和雷射生成的拓撲非平凡孤立子的大量多樣性。他們的數值模擬進一步提供了洞察介質的手性,限制和彈性常數各向異性在實現這些3D孤立子的穩定性方面的作用。作者的研究結果表明,手性向列液晶將成為能夠更深入地了解這種孤立子實驗研究的模型系統。

Smalyukh明確地表示對於從循軌儲存器到各種電光和光子元件的許多應用中,在液晶的光軸取向圖案中實現拓撲非平凡穩定的靜態場配置的能力,是非常有意義的,其中這種光孤立子的產生可以允許光物質相互作用和光學電路的新工程手段。

 

參考資料:

1. Rachel Won, Liquid crystals: Realizing 3D topological solitons, Nature Photonics 11, 273 (2017)

doi:10.1038/nphoton.2017.66
2. Paul J. Ackerman and Ivan I. Smalyukh, Diversity of Knot Solitons in Liquid Crystals Manifested by Linking of Preimages in Torons and Hopfions, Phys. Rev. X 7, 011006 (2017)

doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevX.7.011006

http://www.nature.com/nphoton/journal/v11/n5/full/nphoton.2017.66.html

   
 
 
 
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