【女科學家】師法自然,人生有福─郭瑞年的凝態物理傳奇

■ 這是一個有福的人生,因為她貫徹了自己的信念,在一個少見女性的尖端科學領域披荊斬棘前進,並且將知識分享於世界。

溫柔的一刻,講者郭瑞年主任(右)與攜手同心的夫婿洪銘輝教授(左)相視而笑。

撰文∣ 李文馨

「上帝已經給我們一個大自然,這是上帝要我們去學習的一所學校。成為一個科學家對於時代是負有使命的,這使命就是用大自然的知識,去訓練人的心智,使人們培養出終生學習的習慣,這是一個人避免胡思亂想的最佳方法。」台灣大學探索基礎科學講座的成立,便是效法電學之父法拉第每個星期五晚上舉辦的科學之夜;而法拉第在百年前所寫下的信念,啟發了郭瑞年教授,不但造就了她有福的人生,也支持著她寫下凝態物理學界的一頁傳奇。現任台大凝態科學研究中心主任的郭瑞年教授,在就讀台大物理系大三時,便在心中埋下了這樣的自我信念:「在大自然的學校中終身學習、分享知識。」對於郭教授而言,科學,正是她觀看自然世界、理解宇宙的視窗,而這世界的可理解性,正造成了科學的可能性。

一身俐落套裝,蓄著短髮的郭瑞年教授,用爽朗的笑聲、深入淺出的凝態物理原理,震撼了現場座無虛席的觀眾們。郭教授一生醉心研究,在凝態物理、奈米電子、超導、磁學各大領域走了一圈,從低溫超導體入手,到磁性超晶格、高溫超導體、透明導電體、高介電質材料薄膜,應用到未來的奈米電子;這些看似五花八門的研究,其實有相當的關連,而時間也證明了,這些領域交織出一位成功的女科學家郭瑞年。談起超導體,郭教授笑著說:「這是非常迷人的領域!因為它集中了許多物理的基本性質,如電、磁、光等等。」1975年自台大物理系畢業後,郭瑞年負笈美國,到史丹佛大學應用物理系攻讀碩博士,不但結識了相伴一生的洪銘輝教授,也與超導體結下了不解之緣。超導體由於在低溫下電子成對(Cooper Pair),與構成導體材質的原子之間不會產生碰撞,而形成了零電阻、反磁性的特質。比起導體、絕緣體而言,超導體更具工業應用的價值;然而,卻因為臨界溫度過低,難以應用。因此,學界十分熱中對於超導體與溫度的相關研究,希望找出超導體的運作機制,以增加其應用性。

超導的魔力

超導的領域似乎有種魔力般,深深吸引著初到美國的郭瑞年,其現年92歲的指導教授Theodore H. Geballe至今也仍專注於低溫超導體的研究。當年,還在攻讀博士學位的郭瑞年,隨著教授研究1980年代最高溫超導體的原子排列方式「A15」(註[1]),探究其溫度最高的原因。臨界溫度與許多因素有關,如電子能階的密度、聲子震動程度等等;而郭瑞年則透過電子穿隧實驗,發現14K到17K的各A15離子晶體中,越高溫的超導體在低頻處有更多的聲子參與和電子的耦合。這個實驗結果與當時理論主流:臨界溫度高是因為電子密度高大相逕庭,不但讓郭瑞年的論文指導教授愣住,要她再三確認實驗結果,也讓她甚至因此被詳細「拷問」了實驗過程兩個小時。然而,郭瑞年力求正確、絕不膽怯的研究成果最終折服了所有疑難者,也使她進入了有「全世界科學研究的寶庫」美名的貝爾實驗室,埋首於超導體與奈米研究,一待就是22年。

高溫超導YBa2Cu3O7,長得有點可愛。

1981年畢業後,郭瑞年在貝爾實驗室另起爐灶,轉而研究磁性超結晶格。而當她寄到國家實驗室的研究成果遭質疑時,郭瑞年毫不氣餒,回到室溫重做實驗,最後發明了金屬原子分子磊晶術,製造出人為調控的磁性超晶格。這項研究成果,與2007年的諾貝爾獎擦身而過,但談起這段往事的郭教授,眼中絲毫無懊悔之情:「雖然沒有得獎,但是這份發現物理機制第一人的喜樂、興奮,是終身難忘的!而且這也是帶領科學家能繼續前進、探索、發現的動力!」

1986年,在朱經武與東京大學的北澤教授於材料研究學社(MRS)會議上報告後,高溫超導體的研究終於突破瓶頸,吸引學者們紛紛投身尋找溫度更高的超導體。「對於美國人而言,聖誕節是很重要的;對於中國人而言,過年是很重要的,但那年沒人過節,幾乎所有研究超導體的科學家都待在實驗室裡!」而郭瑞年的主要研究成果則是單晶高溫超導薄膜,以發展進一步的穿隧實驗及超導研究。現今矽晶片製程技術的趨勢,是將矽晶電晶體越縮越小;然而,其二氧化矽層卻會越來越小,使得消耗功率變高──這類的半導體不但不能絕緣,反而可能會漏電。面對此種物理極限,郭瑞年教授在超導體的研究後,投入自旋電子學、半導體的研究,以鎵釓氧化混合物首次製成三五半導體的場電效應電晶體,並發展自旋場電效應電晶體。

追求真理

被問及目前的研究是否有信心能取代矽晶電晶體時,郭教授眨眨眼睛,說:「研究之所以能進行,是因為你相信。」畢生做過無數次實驗的郭瑞年認為,大家常缺乏信心,但只要有人能勇敢去做,也能鼓舞眾人奮身投入。早在1994年,當郭瑞年和洪銘輝在貝爾實驗室做研究時,他們就勇敢地投身當時極度不被看好的砷化鎵研究。「這是會被砍頭的題目呢!但是我們硬是要做!」郭教授憶起當年的抉擇,語中充滿了豪氣與自信。而憑著這份堅持,郭瑞年與洪銘輝不斷地突破研究,預計在研究成果量產後,能讓電腦處理器的運算速度及效能大幅提升。這項研究的前瞻性及突破性,備受全球矚目,也引來全球中央處理器龍頭英特爾的關切,揚言欲出價百萬美金買斷研究。但他們拒絕了專利的壟斷,也拒絕國外一流大學的頂尖研究團隊參與研究,他們的心中,只有對科學真理的追尋,以及培養台灣科技人才,使台灣引領世界尖端科技的使命感。因此,夫妻倆在獲得貝爾實驗室捐贈後,毅然在2003年,將整套系統拆解運回台灣的工研院奈米科技研發中心,讓更多的台灣科學家投入研究。

貝爾實驗室聚集了許多年輕剛畢業的物理學家、化學家,投入尖端的研究;隨便打開一扇實驗室的門,你就能看到一位專家在全神貫注地做著研究,儀器彷彿就是他百玩不厭的玩具。而帶著大膽假設、小心求證精神進入貝爾實驗室的郭瑞年更是如魚得水,帶著年輕單純的心,日以繼夜地想像科學研究的發展。然而,這份跨越性別的求知心,卻也曾遭到性別歧視的傷害。在貝爾實驗室,科學家們必須和工程師配合,以打造自己的實驗室;而當郭瑞年詢問工程進度時,工程師居然不屑地拋出一句「那妳就開始穿裙子,這樣才能快點完工!」原來,在1980年代的美國,華人與女性備受歧視,而身為華裔女性身分的郭瑞年在成為科學家的路上更有著不為人知的艱辛;但她仍抱持這這樣的態度:「最重要的,是掌握真理,在人際互動真誠且理性以對,掌握自有原則」,逐步克服難關,站上今日頂尖華人女科學家的地位。

身為女科學家,必須承受來自社會、科學共同體和自身各方面的壓力,但這些衝突常導致女科學家身分的迷失:一方面要保持社會文化要求的女性氣質,另一方面科學家的職業又要求他們放棄女性氣質(吳小英,2000)。雖在八零年代女權運動的爭取下,美國要求男科學家參與性別議題的工作坊,今日中華民國的物理學會也設有女性工作小組;看似女科學家所受的歧視已逐漸減少,但洪銘輝教授仍指出物理學界仍少見女性身影、男女科學家之間資訊交流隔閡等等不平等的現象──「即使男科學家被要求參與工作坊,也有許多人會借故請假;甚至在研討會時,仍能常見女科學家主動起身泡咖啡。」洪教授感嘆的說。而郭瑞年教授也不禁有感而發:「不是每個女生都要做科學家,但如果對科學有興趣,就不應該因性別受到社會的阻撓。」郭瑞年秉持著法拉第對從事科學研究者的信念,追尋事實、執著真理,更與攜手同行、同學、同事、同工、同心的丈夫洪銘輝委身信仰於大自然的學校中,終身學習、分享知識。她的成就與信念不僅超越了性別的限制,也圓滿了她有福的人生。

作者註釋

[1] A15 係指陰、陽離子數量 3:1 情況下的的一種特殊排列方式(排法可參照 http://en.wikipedia.org/wiki/A15_phases 右上圖)。有很多第二類超導體(即高溫超導體)均為此類結構的離子固體。

推薦書目

吳小英(2000)《科學、文化與性別 : 女性主義的詮釋》。北京:中國社會科學出版社。
張文亮(1993)《電學之父-法拉第的故事》。台北:文經社。

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