指尖上的同步輻射

■同步輻射是電子等帶電粒子加速度時釋放的輻射。這些輻射有亮度高、準直性好和偏振單純等良好性質,被廣泛應用在科學研究中。台灣是世界上少數擁有同步輻射技術的國家之一。位於新竹的台灣光子源是台灣自行設計的同步輻射設施,周長超過半公里,是世界上最亮的光源之一。由於同步輻射設施龐大,通常需要國家級的資金,甚至是跨國合作才有辦法建造。如果能將設施尺寸縮小,同步輻射的應用將更廣泛。本文介紹科學家透過奈米科技和超光速技術,將同步輻射縮小到毫米等級的初步結果。

歐洲的大強子對撞機周長大約27公里。(Source: CERN)

撰文|陳奕廷

●同步輻射的由來

「同步輻射」最早是在同步加速器中被發現而得名。在粒子物理實驗中,科學家使用同步加速器中將帶電粒子加速並碰撞,用以研究粒子的基本特性。電磁學告訴我們帶電粒子會釋放電場。當帶電粒子被加速時,這個電場被改變而產生感應磁場,而感應磁場的改變又產生感應電場。這樣交互感應的電磁場形成電磁波對外發射,這即是同步輻射的由來。

在此談個題外話。在古典的原子模型中,電子以繞著原子核的環形軌道行走。環形運動的電子總是受到向心加速度的作用,所以總是在釋放同步輻射。同步輻射會帶走電子的能量,電子會因此越轉越慢,軌道半徑會越來越小,最終掉入原子核之中。如果古典模型是正確的,世界上不可能有穩定存在的原子,這顯然與事實不符。量子力學則因為能正確地預測原子尺度的物理現象而成為主流。

●超材料的光學性質

將同步輻射的尺寸縮小需要用到超材料(metamaterials),在此對超材料做簡短介紹。如果想要完整控制電子,我們需要有和電子波長尺度相當的科技(通常是奈米等級或是更小)。但光的波長是微米等級,以現在的半導體製程技術來說,要控制光子相對容易。在材料中加入人造的奈米結構,我們幾乎可以任意地改變材料的光學性質。這樣的技術被稱為「超材料 」,以下介紹超材料的兩個例子:

1. 改變光的顏色:

物體會吸受不同顏色的光線,不吸收的顏色被反射到人類的眼睛中,成為人類認知的物體顏色。物體吸光的頻譜通常是固定的,所以相同的材料顏色通常是相同的。但是在超材料中,相同的材料卻能有不同顏色。圖1A中,科學家在黃金基板上製作奈米銀方塊,透過調整奈米銀方塊的高度,可以讓這個基板有不同顏色。圖中展示了藍、綠、紫、紅、橙、黃,六種顏色。

2. 改變光的角度:

光穿透物質時會產生折射,折射的角度和材料有關,通常一種材料只有一個固定的折射率。圖1B中,如果材料表面製作重複排列的奈米圖案,這個材料變成超材料。如圖1B下面所示,透過些微改變奈米圖案的結構,科學家能接折射角度從-20度改變到約-50度,改變超過兩倍。

圖1。(A) 超材料改變光的顏色。 (B) 超材料改變光的折射角度。

●指尖上的同步輻射

超材料也可以用來製作同步輻射。如圖2A所示,科學家將雷射光打入超材料中並觀測光的行走路線。光通常走直線,但在這個超材料中光卻走曲線。圖2B中,背景中白色的V型曲線是光的行走路線,紅黃色的圖案是光波在V型曲線不同位置上的形狀。這個曲線就像是同步加速器中帶電粒子走的路線。光子本身並不帶電,儘管光子在向心加速度的作用下走了曲線,也不會有同步輻射產生。但是材料中充滿帶電粒子,在入射光的帶動下,帶電粒子跟著光子走了曲線。這些隨著入射光行走的帶電粒子在向心加速度的作用下產生同步輻射。如圖2C所示,紅黃色是入射光,藍綠色是同步輻射的光線。科學家將實驗數據和理論比較,驗證這些藍綠色的光確實來自同步輻射 (如圖2C右)。

這個同步輻射另一個有趣的地方在於超光速。這項超材料的基底是LiTaO3,它的折射率是真空的六倍以上,也就是說材料中的光速是真空的六分之一。儘管沒有任何速度可以超越真空的光速,但超越材料中變慢的光速是可能的。在超光速的情況下,高頻段的同步輻射的光強度被增強許多。此項同步輻射裝置的大小在毫米等級,和電腦晶片的尺度相容,比起公里等級的同步輻射 (例如CERN的LHC) 能應用在更小的尺度。

圖2。(A) 實驗裝置示意圖。(B)光在材料中走曲線,白色是光的路線,紅色是光波包的形狀。(C)走曲線的光使得材料中的帶電粒子被加速,產生同步輻射(圖中藍綠色)。同步輻射和理論預測吻合。

參考資料

  1. Jon W. Stewart et al., Toward Multispectral Imaging with Colloidal Metasurface Pixels, Advanced Materials 29 6 (2016)
  2. Nanfang Yu et al., Light Propagation with Phase Discontinuities: Generalized Laws of Reflection and Refraction, Science 334 6054 (2011)
  3. M. Henstridge et al., Synchrotron radiation from an accelerating light pulse, Science 362 6413 (2018)

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作者:陳奕廷,台大物理系學士,史丹佛大學應用物理系博士班就讀中。對各領域的科學都非常好奇,歡迎互相交流。

 

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