清華大學物理學系學位論文
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為了嘗試以人工創造的方式，探尋合成拓樸超導體之可能，本研究嘗試尋找合適的材料以實現此目的。理論預測曾提出許多種形式可實現這樣的可能性，而其中一種形式即透過將磁性奈米島嶼擺放在s-wave超導體材料上，以找尋自旋手性之馬約拉納邊界態。本實驗研究最主要透過將常見之鐵磁性原子Ni鍍在Pb(111)基板上，以形成鎳鉛表面合金以及單層之鎳奈米島嶼，使其成為二維磁性奈米島嶼生長於s-wave超導體材料之系統，並以自旋極化之掃描穿隧顯微鏡（Spin-polarized scanning tunneling microscopy）以及掃描穿隧能譜技術（Scanning tunneling spectroscopy），搭配理論計算解析二維磁性材料於超導體之上之原子結構和電子結構。改變鍍膜時之成長溫度與後退火溫度，會導致不同之成長模式與結構，根據由原子尺度下地形地貌所推導之結構模型，雙層的鎳鉛合金第一層由Ni2Pb1的比例組成穩定之六方晶格結構，二層結構則為鎳原子嵌入排列至頂層鉛吸附原子下之結果，並形成四方與六方晶格結構。基於掃描穿隧能譜的量測，鎳鉛合金之超導能隙（Superconducting gap）為ΔNiPb ≈ 0.85 meV，對比鉛的超導能隙為ΔPb ≈ 0.97 meV要來得小；而單層鎳鉛奈米島上會形成蜂巢結構，其超導能隙為ΔNi ≈ 0.97 meV大小與鉛基板相同。其二者與鉛塊材基板的超導曲線，藉由將樣品溫度逐漸升高，皆至同樣的臨界溫度6.70 K後消失。其鎳鉛合金與單層鎳奈米島之超導能隙要小於等於鉛，並且兩者皆為在同樣的臨界溫度喪失超導態，此二者皆可提供其可能為透過鄰近效應所引發超導態之證據。此外，藉由量測鎳鉛合金與Pb(111)間由鄰近效應所影響而逐漸遞減之邊界，其超導衰退長度（Decay length）ξL約為4 nm，鎳鉛合金其超導能隙之遞減，最主要的原因可能由於受到其磁性來源之抑制，這也表示其磁性可與超導同時共存，使得磁性材料和超導體材料結合以實現拓樸超導體提供了可能性。
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本文的工作探索了用鉈原子束測量奇偶性非保守性（PNC）的前景。利用原子鉈中階梯形躍遷的電磁感應透明性（EIT）可以進一步提高奇偶性非保守性[1]。禁忌躍遷中的磁偶極矩與四極矩之比PNC的實驗和理論方面的重要參數。 具有超管的原子束設備已被構造為產生鉈原子束，以減少多普勒展寬並達到更高精確度的PNC測量。使用我們的設計，通過使用377 nm激光器的實驗，我們成功觀察到高通量原子束。將來，在噴嘴溫度為，噴嘴發散角為522 mrad時，准直的原子束通量可用於PNC測量。
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物質的超導態具有完全的零電阻以及抗磁性而在工程上有重要的應用，近幾年的實驗中發現了原本理論預測的新穎超導態-拓樸超導-而使這個領域更熱絡的發展。拓樸超導具有拓樸的性質，可以保護材料中一些重要的資訊不被破壞，這個重要的特性剛好可以應用在量子電腦上，量子電腦的基礎材料-量子位元-非常容易受到外在環境影響，而拓樸超導體形成的一對馬約拉納費米子可以被拓樸態保護，使得資訊不會消失。 我的實驗是將錳作為磁性的雜質鍍在鉛在矽上所形成的薄膜上，鉛在矽上形成的薄膜具有超導性，而在傳統超導上鍍上磁性雜質理論上有可能會形成拓樸超導。STM是觀察這個拓樸超導最好的工具之一，因此我的實驗主要是觀察鉛和錳鍍在矽上的表面型態以及探討成膜的機制。
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扭轉氣球是大家兒時共同的回憶，可以做成狗、劍跟花。在製作這些玩具的時候，最基礎的技巧是扭轉跟彎曲。在這篇論文中，我們專注於扭轉不同長度與半徑所產生不同的相，例如：直線（straight）, 塌縮（snapping）, 彎曲型（spiral） and 超螺旋（supercoiling），實驗上得到了一個相圖。我們建立了一個理論模型跟運算分子動力學模擬，重複驗證了實驗的正確性。最後我們比較了氣球塌縮跟水滴截斷的現象。
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將盛有矽油的燒杯，置於垂直的震動臺上，接著調整頻率和振幅，使略低於產生法拉第波的臨界值，接著用長金屬針，在液面挑起一顆小矽油滴。有趣的事情發生了，可以發現油滴開始在液面上行走，並存活超過一天。文獻上已經記載此「行走液滴(walking droplet)」具有類量子的行為，例如：當容器大小有限，邊界效應明顯時，液滴在空間的機率會呈現離散的分佈。我們質疑此現象和類量子（即同樣邊界條件下的薛丁格方程式的穩定機率波(eigenfunctions)）的相似，只是巧合，希望檢查這個類比在方形容器是否仍然可以觀察得到。如果結果是否定的，那暗示此巨觀現象背後得機制，可能其實是我們藉由關小震動臺振幅，而壓抑的法拉第波。為什麼呢？因為在震動油滴的撞擊下，原本平靜的矽油表面，有機會藉由獲致來自碰撞的些微能量，重新產生（振幅仍然小到無法用肉眼辨識，必須藉由高速攝影技術才觀察得到的）法拉第波。 我們同時也重新檢視行走液滴的繞射，確定法拉第波在該實驗是否也同樣扮演不可忽略的角色。
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2010年代，由於全球暖化，許多人開始關注起環保議題，對於樹林的保育是主要的議題之一，不管是因人為開發，或森林大火、風災等自然原因，都促成了一些以環保為核心發展的研究。 在一篇2016年發表的Physical Review E論文，研究者引用到一場2009年的颶風風災數據，宣稱樹木的年齡和高低並不影響樹木斷裂時的風速，亦即當風速達到某臨界值時，絕大部分的樹木都會應聲斷裂。 在上個世紀就有許多林業發達的國家，使用真實樹木進行風洞實驗，這些論文結論：樹木所受的風力與風速在一定風速下呈線性關係。另外，也有關於樹葉在強風下，會捲曲成圓錐狀，以及阻力係數隨風速下降的研究。 本研究針對樹木在風災中的影響，主要包括兩個部分： 一、 經由風洞實驗量測樹枝所受的風力與風速的關係，檢驗前人的研究結論。 二、 在風力增加的過程中，樹冠的截面積如何變化？ 對於樹冠的截面積變化，我們也提出簡單的理論模型，成功解釋實驗觀察到的現象。
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氦原子為最簡單的多電子原子，相較於其他多電子原子，更容易將理論計算與實驗結果相互驗證，在精密量測的領域中佔有相當重要的地位。 本論文中，我們架設了一套穩定的亞穩態氦原子束系統。首先，我們將報告它是如何被設計以及如何運作。我們以射頻放電將基態氦原子激發產生亞穩態氦原子源，透過多次量測確認系統的穩定性，並且分析混入氬原子對亞穩態氦原子源與螢光光譜的影響。雷射與原子束會以互相垂直的方向交互作用，我們透過偵測螢光訊號來觀察原子束的許多特性，包含氦氣與氬氣氣壓的影響、速度分佈、發散角、原子數目以及原子束通量。