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整理/劉祥麟

德國的科學家發現用適當強度的質子照射在 純度極高的石墨後，原本不具磁性的石墨將變成類似鐵磁性的物質而帶有磁性。

碳具有相當多形式的同素異形體，例如鑽石、碳六十、碳奈米管以 及石墨等。這些物質共同的特色是都不帶有磁性。物質中的電子都可以視為一個小磁鐵，只是平時每個磁鐵所指的方向都不一樣而抵銷了整體磁性。而鐵磁性物質則 是物質內的電子受到內部作用力的影響而全部指向同一個方向，而產生出磁性。

德國萊比錫大學的P. Esquinazi利用2.25 MeV的質子照射純度極高的石墨，發現質子會類似"卡"在石墨中而改變了石墨的結構。這些質子照射過的石墨，便開始帶有磁性並能對外加磁場進行反應。關閉 外加磁場後，石墨依然帶有磁性，展現出典型鐵磁性物質的性質。

P. Esquinazi表示這種在室溫下帶有磁性的石墨將可以用在自旋電子元件中，也可以應用在製作磁性記憶體上。如果照射在碳奈米管上，將可能製造出尺寸最 小的磁鐵，應用在生物醫學上。

原始論文：
P. Esquinazi, D. Spemann, R. Hohne, A. Setzer, K.-H. Han, and T. Butz, Induced magnetic ordering by proton irradiation in graphite, Phys. Rev. Lett. 91, 227201 (2003).

編 輯：John C. H. Chen, r89222002@ntu.edu.tw

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一個樁腳，能影響所有的選民嗎？

在 選舉的時候，一個人所支持的立場可能會隨著情勢而改變。因此在下一個時間其立場改變的機率，將可能是上個時間自己與週遭選民立場的函數。如果在這些人中間 有一位立場堅定的 "樁腳" 存在，他可以影響週遭選民的立場，而旁人卻難以影響他，那將會如何影響整體的選情？在2003年7月份出版的Physical Review Letters 期刊上，來自 EPFL in Lausanne 與 Boston University 的科學家 Mauro Mobilia 由自旋交互作用模型的解析計算中給出了一個有趣的現象，或許可以給我們一些啟發。

在數學上有一種問題叫做 "投票者模型 (voter model)"，研究在物件狀態改變的機率，是由自己與週遭物件狀態所決定下，整體行為如何的演化。這種模型能表達一些非平衡態的多體隨機過程。在一般的 研究中，每個物件與週遭交互作用的條件都設定成一樣，而這樣的系統行為已經被研究得很徹底了。然而現實世界中，並不是每個參與的物件都有相同影響力，對於 這樣條件下的系統行為我們所知甚少。

在這項研究中，Mauro Mobilia 設定了這樣的物理模型：所有的物件都是自旋粒子，自旋的指向就代表該物件的狀態，而整個系統擁有無限多個自旋。每個自旋的翻轉速率會受到週遭自旋指向的影 響，但是中間有一個自旋，對特定方向的翻轉速率比較高（也就是該文中的 zealot，在此翻譯成樁腳）。而在原點的自旋在不同維度的分佈下，一個自旋所能擁有的鄰近自旋數也會不同：一維鏈狀的排列，會有兩個鄰近自旋﹔二維方 格網狀排列，可以有四個﹔而三維立體格狀排列，則會多達六個。

將交互作用加以整理，對空間中任一位置的自旋，可以得到一個對時間的微分方 程式。這些微分方程式是存在解析解。他發現一些現象：在一維或二維的系統中，最後所有粒子的自旋指向將與樁腳一起朝著同樣方向，而一維系統中自旋的趨近變 化（～1/ t^1/2）又比二維的狀況下（～1 / ln t）要來得快上許多。至於在三維以上的系統，並不是所有的自旋最後都會與一起樁腳指向同一方向。

因此在這項研究的自旋模型中，在一些分布 狀態下（維度在 1 或 2 時）樁腳的存在可以藉由影響週邊的自旋而帶動所有自旋的狀態趨於相同：但是在更密集的分布狀況中，樁腳也只能掌握部分自旋的指向。對照於人類的世界，或許 這個結果也暗示我們：在愈密集複雜的社會中，樁腳愈是難以固票！

原始論文：
Mauro Mobilia, Does a single zealot affect an infinite group of voters?, Phys. Rev. Lett. 91, 028701 (2003).

編輯：Keelungman, d91222007@ntu.edu.tw

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偵測塑膠炸藥的新裝置

利 用微機電系統製造的新型塑膠炸藥感應器。自從美國911事件之後，世界各國在航空安全上，無不投入特別的資源來加強，期望能夠偵查出潛伏的危機，達到早期 預警及時防範的目的。特別是在對於塑膠爆炸物的偵測，更是一切安全措施的重點。在2003年8月份出版的Applied Physics Letters 期刊期刊中，田納西大學與Oak Ridge國家實驗室的Thomas Thundat與其研究小組的科學家們，發表了利用微機電系統所製造而成的塑膠炸藥感應裝置。

在目前的塑膠炸藥裡，最具危險性的要算是 PETN(pentaerythritol tetranitrate)與RDX(hexahydro-1, 3, 5-triazine)。因為這兩者不僅可以作成各種形狀，而且在引爆前極為穩定、但微量的爆炸卻足以造成相當程度的傷害。有鑑於此，Thundat等人 的微機電偵測裝置，就是針對這兩種爆炸物所設計的。他們所製造的元件，核心部份是一個以矽所製成、一端黏結於彈簧接線、180 × 25 mm的平板(與游泳池邊的跳水跳板類似)。這個平板的一面上鍍有金，這一面的其中一端則鍍有一層會與PETN及RDX反應的物質4-MBA(4- mercaptobenzoic acid)。 如果受測的環境中有PETN或RDX的分子，平板將會因4-MBA與這些分子結合而產生彎曲。透過計算平板彎曲的程度，就可以達到偵測微量塑膠炸藥的目 的。

Thundat等人將他們所製成的裝置封裝在一個真空玻璃中，然後通入一小段含有微量塑膠炸藥的空氣。他們利用改裝的原子力顯微鏡， 來測量平板彎曲的程度。經過20秒的偵測及反應時間，實驗的結果顯示，他們的元件的靈敏度可以達到14×10^-12。換算成重量的 話，則是可以測到僅有數femtogram(10^-15 g ) 的炸藥量。

相較於現今體積龐大的塑膠炸藥偵測裝 置，Thundat等人的研究結果極有希望可以應用在製造攜帶方便、高靈敏度的偵測器。為了達成這個目標，他們下一步的實驗，就是要測試他們的元件在實際 環境中，是否仍然有效。希望在不久的將來，我們可以看見這項研究結果的實現，為社會、世界的安全維護來把關。

原始論文：
L. A. Pinnaduwage, V. Boiadjiev, J. E. Hawk, and T. Thundat, Sensitive detection of plastic explosives with self-assembled monolayer-coated microcantilevers, Appl. Phys. Lett. 83, 1471 (2003).

編輯：Agape, jeng-bang.yau@yale.edu

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雷射﹕一個原子夠不夠

加 州理工學院的物理學家，利用低溫將單一銫原子局限在共振腔中，製造出具有與傳統雷射不同性質的單原子雷射。

所謂的雷射(LASER)，其 實是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的縮寫。顧名思義，就是經過放大、增幅的受激發輻射。由起初在雷射共振腔中所產生的光子，與其中的媒介物質(視 雷射種類不同，可為氣體或固體)，經過連鎖反應般的能量交換，最後發出同調(光子間彼此相對的相位固定) 的光。在一般傳統的雷射裡，光子與媒介物質的原子數極多，與所處的環境可視為是一個巨觀體系，所以它們彼此之間的量子效應通常可以忽略不計。在2003年 9月份出版的自然雜誌期刊裡，加州理工學院的物理學家H. J. Kimble與其研究小組，則利用與傳統截然不同的方式，將單獨的銫原子局限在共振腔中，製造出名副其實的單原子雷射。

Kimble等人 的做法，是先將一個銫原子冷卻與局限在一個很小(42.2 mm)的光學共振腔中，然後用一外加雷射來激發這個銫原子。被激發的銫原子，則經過了能量的衰減而釋放出一個光子。由於銫原子與其環境、也就是共振腔的強 烈耦合(交互作用)，所釋放出的光子幾乎始終落在共振腔的某一個傳導態(mode)，而不像傳統雷射裡光子總是在自由空間(free space)傳播的狀態。這時，再用另外一束雷射將銫原子激發至另一個受激態，之後會釋放出另一個光子，能量衰減回到基態。如此，就完成了這整個單原子雷 射放光的過程，並且可以一再地重複。

這個單原子雷射所釋放出的光子，與傳統雷射最主要不同的地方，在於其具有antibunching的 特性。也就是說，所產生的光子之間，彼此沒有太大的交互作用，意味著光源較為單純，沒有雜訊。此外，單原子雷射也沒有發光閾值(lasing threshold) 的限制，代表著其使用極小的電流(功率)，就可以發出雷射光。當然，由於只有一個原子” 負責” 產生雷射，這樣的裝置僅有每秒鐘100000個光子的光通量，並且只能持續0.1秒的時間。儘管如此，Kimble仍然認為他們的實驗結果，是向雷射原理 極限挑戰的寶貴成果。

原始論文：
J. Mckeever, A. Boca, A. D. Boozer, J. R. Buck, and H. J. Kimble, Experimental realization of a one-atom laser in the regime of strong coupling, Nature 425, 268 (2003).

編 輯：Agape, jeng-bang.yau@yale.edu

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超新星還是不爆炸

德國 的科學家以現有的超新星的理論做模擬計算，他們發現在目前現有的理論架構下，超新星並不會爆炸。

根據我們在天文學課上學到的知識，大恆星 最後終究會演化成超新星，然後爆炸而死亡。然而事實上，科學家們並不很明確地知道為什麼超新星會爆炸，他們只有一個粗略的圖像而已。根據最早的想法，當恆 星只剩下鐵核，核反應不能再繼續，向外力抵不住重力，恆星便會塌縮。塌縮的過程中，同時會有震波向外傳遞出來造成爆炸。 然而基於這個理論，由電腦模擬的結果發現震波會逐漸消失， 並不會造成超新星爆炸。而現今理論則認為被塌縮的鐵核排斥出來的微中子提供了額外的能量，使得恆星可以爆炸。根據這個理論，在震波波前附近的自由質子及中 子吸收了微中子並且加熱，造成在波前的後方有足夠的壓力，使震波不但不會消散掉，而且還會超音速地加速衝過恆星，震波的力克服了核的重力吸引力，使得恆星 的外層爆炸變成巨大明亮的氣殼。

在之前的模擬中，為了減少龐大的計算量，研究人員將微中子的效應假設成相當的溫度效應，而為了更精準地描 述微中子的效應，在Max Planck Institute for Astrophysics in Garching，Germany的Hans-Thomas Janka及其同僚使用比較完備的理論來描述恆星裡的微中子--稱為time-dependent Boltzmann’s equation--來對超新星做二維的模擬計算，在這個有史以來最繁重的計算中，他們發現超新星仍舊不會爆炸，震波還是會耗散消失， 最後只留下一個黑洞。

Janka表示，這個超新星不會爆炸的結果說明了物理學家在微中子及原子核物理的理論上可能還缺少了某些東西，他認 為問題可能是在地球周圍的環境下，微中子只跟很少數的質子，中子，或小原子作用。但是塌縮的恆星具有超密的質地，因此原子粒子也許有不同的結構，而造成微 中子有不同於在地球附近的行為，另外一個可能的原因是在非常強的磁場下，微中子的行為將會受影響，而在超新星中也許就存在這樣的超高磁場。

原 始論文：
R. Buras, M. Rampp, H.-Th. Janka, and K. Kifonidis, Improved models of stellar core collapse and still no explosions: what is missing? Phys. Rev. Lett. 90, 241101 (2003).

編輯：tslim, tsongshin_lin@hotmail.com

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