清華大學物理學系學位論文
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量測材料的介電係數與導磁係數，長久以來都是科學界的一大課題。共振腔微擾法算是一個廣為人知的方法，但其適用條件及適用範圍都十分嚴苛，尤其中樣品本身只能單一存在介電特性或導磁特性的假設。本篇論文將描述如何利用不同波模( 及 )來量測同時擁有介電與導磁特性的物質在2.45GHz。 目前在HFSS模擬程式只要找到其適用條件與範圍，就可以利用多點校正的方式找到精準的介電係數與導磁係數。預期在實驗上應該也能得到相同結果。
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我們分別利用穿透式以及反射式兆赫波時域光譜技術來研究氧化銦錫奈米晶鬚和其濺鍍薄膜這兩種重要材料結構的遠紅外光學特性和電性，並分析其在非Drude電學模型 (Drude-Smith模型) 下所存在的反向散射與局限效應。氧化銦錫奈米晶鬚之複數導電率在兆赫波段的非Drude電學行為可以歸咎為載子在晶界間與雜質離子間之散射。然而，在氧化銦錫薄膜中，因為缺少明顯的晶界，主要只有雜質離子所造成的載子散射。考慮相同高度的氧化銦錫奈米晶鬚和其薄膜，前者具有較高的電子遷移率 (~125 cm2V-1s-1)，比薄膜的 (~27 cm2V-1s-1)高出許多。這個現象是由於奈米晶鬚擁有較長的載子散射時間。另外，雖然氧化銦錫奈米晶鬚之直流導電率 (~250 ?-1cm-1)和兆赫波段之實部導電率都低於氧化銦錫薄膜的 (~800 ?-1cm-1)，但其導電能力，已經足以用來當作電極。較突出的導電率，也間接反映出氧化銦錫薄膜具備較高的電漿頻率。更重要的是，由於兆赫輻射可以輕易地通過氧化銦錫奈米晶鬚中空氣所填滿的區域，故其在兆赫波段之穿透率 (? 60~70 %)優於薄膜13倍以上。 此外，為了獲得材料更高頻的光電學資訊，並比較不同氧化銦錫奈米結構 (奈米柱和奈米晶鬚)，我們整合了雷射光激發電漿與光導天線兆赫波時域光譜儀來得到0.15~9.00兆赫波段的頻譜資訊。也因此，我們可以很準確地獲得0.20~4.00兆赫之間奈米材料之光學與電學之資訊。同時，利用傅里葉轉換紅外光譜，我們發現在整個遠紅外波段中(0.2~15.0 兆赫)，奈米結構可以維持70 %以上的穿透率，而傳統濺鍍薄膜只能維持在9 %左右。氧化銦錫奈米柱,奈米晶鬚與濺鍍薄膜之寬頻複數導電率皆可以被Drude-Smith模型所擬合。考慮一樣的氧化銦錫組成體積比，由於奈米晶鬚之載子侷限行為較輕微，故無論是電子遷移率或直流導電率皆優於奈米柱。另一方面，濺鍍薄膜由於具有較高之載子與雜質離子濃度，故造成嚴重的散射行為，進而使電子遷移率較奈米柱和奈米晶鬚皆來的低。在此寬頻兆赫波段的研究中，我們也考慮複數導電率在兆赫頻率範圍之極值與曲折點，這些資訊提供了額外的標準來評斷利用兆赫波時析光譜儀來獲得非Drude模型的材料之電學特性準確度。目前的研究結果顯示高度在 ~1000 奈米左右的奈米晶鬚具有最優異的穿透率和電學特性，因此最有潛力當作在兆赫波段之高透明電極材料。 利用前面所研究之氧化銦錫奈米晶鬚，我們設計了兩種同時具備高兆赫波穿透率與低操作電壓之新型電控液晶兆赫波相位延遲器。首先，利用奈米晶鬚取代傳統濺鍍薄膜當作一高穿透率之電極材料。更進一步地，我們首創使用氧化銦錫奈米晶鬚當作液晶配向之媒介。此兩種液晶層厚度約513微米之兆赫波相位延遲器同時展現高兆赫波穿透率 (~77%)，此外，皆可在低操作電壓(分別為17.68 and 2.83 V (rms))成為1/4波長相位延遲元件(操作頻率為1.0兆赫)。同時具備當作透明電極與液晶配向能力的特性，使得氧化銦錫奈米晶鬚除了在可見光波段的廣泛應用外，也成為兆赫波段元件之不可或缺的材料。
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磁旋管是一種建立在利用弱相對論效應的機制”電子迴旋脈射(ECM)”下所設計出的高功率同調電磁波源，利用外加磁場使得電子迴旋運動，經由系統性的調控，電子能與電磁波達成同步並交換能量，進而放大電磁波。 磁旋返波震盪器理論首見於蘇俄1960年代中期的文獻[1] ，前人曾研究利用非線性理論預期磁旋返波震盪器(gyro-BWO)之效率將會低於其他形式之磁旋管[2]，也認為TE模之效率會比TM模還來得高[3-4]，隨著可調頻元件需求的增加，能藉著調變磁場和電壓來調頻的磁旋反波振盪器漸漸抬頭，而近期有研究指出TM模適合被使用在這種反波元件上[5] ，而本文的目的在於利用較直觀的二階線性方程式分析當ECM操作在TM模式下會發生哪些特性，並推論如何操作可以提升TM模式ECM之效率，而根據我們的線性方程也看到TM模ECM的確適合操作在反波下，也發現電子在波導管中對於TE模與TM模會有不相同的特性。 在第三章會談到操作非線性程式，嘗試我們在線性理論模型所推測的提升效率之方法。而TM_11與TE_01兩個模式在圓波導中是兩個截止頻率相同的模式，因此適合我們建立在同一基準比較當操作在相同頻率與參數時，兩個模式與電子交互作用的效率，並且之前的研究認為TE_01擁有不差的結果，因此這樣的比較也是有意義的，最後我們也發現在特定的操作下TM_11將會有不錯的結果，這與操作在反波和適當的電子迴旋中心位置有很大的關係。
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我們藉由蒙地卡羅的計算方法討論兩種玻色子在方行晶格上有可能出現的量子相變。當我們增加對鄰近晶格的排斥力Mott insulator將變成solid，而且這樣的相變可由增加hopping的強度來達成，而這個相變是屬一階相變。並且我們觀察到supersolid變成superfluid同樣可由增加hopping的強度來達成，但此相變是屬二階相變。
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本篇論文主要為設計與製作THz頻段的TE01模式轉換器元件，建立一套高效率、高精度的X光深刻技術，實際應用於深度0.238mm的1THz TE01模式轉換器，此元件主要可以應用於提供長距離傳輸的低損耗波導一個純度高的TE01波源。 在元件設計的部分使用到高頻結構模擬軟體(Ansoft HFSS 13.0)，由於TE01模式在圓波導中屬於高次模較難以激發，因此在結構的部分使用Y型分波器分出四道等相位等大小的波注入圓形波導，耦合出圓極化的TE01模式。藉由優化分波器的結構使模式轉換器有較高的穿透效率與頻寬。 而製造部分，實驗室之前選用SU-8這支光阻進行微機械加工(LIGA)方式製作400GHz的TE41模式轉換元件，但在最後一步光阻去除的過程中，由於SU-8難以除去，使得去除效果並不是很好，此結果會反應在元件的穿透效率和模式的耦合度。因此這次製造我們試著使用一支新的光阻KMPR，此光阻的特性與SU-8相似，但是容易除去，希望能使用這支光阻建立一套省時、省錢、效果佳的製程。 另外，鑒於實驗室的網路分析儀(Network Analyzer)所支援的頻帶最高只能達到110GHz，所以我們結合光學上的TDS(Time Domain Spectrum)量測系統來測量元件，藉由將高斯波包型式的THz pulse聚焦進元件內，再經過一些數學計算間接得知穿透效率，使我們能夠獲得此元件在兆赫波段的穿透對頻率之響應。
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摘要 大部份太陽活動皆起因於太陽磁場，於是太陽學家對太陽內部的磁場起源便充滿了興趣，尤其是太陽對流層底部。日震學借由研究太陽表面的震波能夠探測太陽內部，而要從震波推斷太陽內部磁場，還需要完整了解波與磁場的交互作用。這篇論文包含了在對流層底部有磁場存在的觀測證據，震波被黑子散射的特徵，還有一個用來描述震波通過黑子時的能量分佈模型，整個工作都使用了日震學中的時距分析法。 首先我們呈現的是在整個太陽對流層裡子午流隨著太陽週期變化的觀測結果，我們用日震方法分析了十五年的衛星資料來研究太陽內部子午流隨時間的變化。我們測量了震波在表面上子午方向(南北向)的任兩點間傳播所花的時間，這可以用來推斷波在這兩點間行進的路徑上介質流動的速度，這其中我們處理了許多系統誤差，特別是來自表面磁場對測量結果的影響。觀測結果顯示了對流層底部在太陽極大期與極小期存在差異，此差異很可能是對流層底部的磁場造成的，以此推估磁場大小至少有兩千高斯左右。 其次我們辨識了當震波波長與黑子大小差不多時，震波被黑子散射的特徵。我們不只測量了散射波相對應於入射波的相位差同時也測量了振幅，在這裡平面波被分離出來作為入射波。在相位差的測量中，一個在散射理論中描述的波前癒合的現象被觀測到了，這是一個必須考慮波本質的現象(near-field region)，而不能只考慮波程差(far-field region)。另一方面，振幅的測量結果顯示了在波通過黑子的中心路徑上振幅減弱了，而在中心路徑兩旁則有增強的現象，這表示波被黑子加快了速度，使入射波被散射到路徑兩旁，這是除了波通過黑子直接被黑子吸收外，另一個造成振幅衰減的原因。 論文最後我們提出了一個模型來解釋黑子中震波振幅衰減的行為，我們把它分成了三個機制，吸收(absorption)、發射減弱(emissivity reduction)、局部抑制(local suppression)。相關係數(cross correlation function)的計算能夠過濾掉不從起始點出發的信號，所以我們利用這個特性將三個機制分離開來，接著我們挑選了一個黑子作為案例研究，計算其相關係數的強度來決定三個機制對振幅衰減的貢獻。由這三個機制推出來的振幅衰減程度與實際觀測結果差異不到百分之七。
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A novel renormalizable extension of Standard Model with a discrete gauge Z2 symmetry is intro- duced. In this model, tiny neutrino masses are obtained at one-loop level; moreover, the new scalar bosons involved in the loop corrections play a role as stable cold dark matter candidates. The absence of tree-level neutrino masses and stability of dark matter candidates are guaranteed by the discrete gauge Z2 symmetry. The Z2 symmetry is the unbroken subgroup of a spontaneously broken gauge U1ν symmetry by means of Krauss-Wilczek mechanism. The energy scale of U1ν breaking is assumed at around TeV scale, therefore, new degrees of freedom in this model are promising to test in colliders such as LHC at CERN. In this proposal, only Lorentz symmetry, gauge symmetry and renormaliz- ability are considered in model construction, hence it is different with other similar proposals wherein global symmetry is put by hand. In this thesis, we start with a brief review on neutrino properties in Standard Model, followed by formalism on neutrino oscillations, and oscillation experiments, neutrino mass measurements, and a summary on the latest results. Seesaw mechanism and its realizations will be reviewed. Next, We review evidence of dark matter followed by its inferential properties. Two existing models: Krauss- Nasri-Trodden model and Ma model are reviewed, from which we can have a taste on how Z2 parity connects topics of radiative neutrino masses and stable dark matter together. After that, we start to explain our motivation in detailed and introduce the gauge group, particle content and hence La- grangian of our model. Accordingly, radiative neutrino masses are calculated, and parameters in the model are estimated. Therefore we predict the Lepton Flavour Violating decays li → lj γ in this model. Moreover, to identify the cold dark matter candidate, the dominated reaction for thermal equilibrium in early universe is calculated, therefore we conclude that the new CP even scalar boson or the new CP odd scalar boson in this model are the viable dark matter candidates. The mass range is also discussed.
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脈衝鐳射蒸鍍技術是適用于現代物理學基礎研究的重要材料製備工具。它通過高能鐳射轟擊特定靶材產生混合等離體羽輝並達到同質沉積的目的。相較於其他沉積技術具有快速，且適用面廣的特點。而在薄膜材料的實際成長過程中，材料中不同元素的蒸汽壓、原子品質、化學穩定性以及氧化物材料中極易損耗的O元素都會很大程度上影響到同質磊晶的效果。以上問題都需要我們通過相應的方法加以克服。 本論文介紹了我們使用鐳射分子束泵晶系統嘗試成長具有鈣鈦礦結構的鍶釕氧系列氧化物薄膜，包括鐵磁性材料SrRuO3 以及 p波超導材料Sr2RuO4，以及使用自己架設的真空脈衝鐳射沉積系統嘗試成長含有有序鐵原子空位的Fe4Se5。通過調變靶材-基板距離和腔體氣壓以及雙靶材交替成長方式，我們解決了Ru易缺少的問題並成功製備極高品質SrRuO3, Sr2RuO4薄膜。相反地，我們利用特定條件下脈衝鐳射沉積非同質磊晶的特點，通過成長過程中加設磁場以及實現成長結束後的常溫原位淬火製備出成分接近Fe：Se=4:5 四方晶體結構的Fe，Se化合物薄膜。本文同時會介紹這些材料的特性以及研究價值。