-------------------------------------------------------------
學生 : 江綺紝
實習日期 : 2025 年 7 月 4 號~8 月 16 號
實習機構 : University of Illinois Urbana-Champaign (UIUC)
-------------------------------------------------------------
這次的旅程對我意義重大,它不只是系上提供的難得機會,它更是我重新定義「學習與研究」的契機,更讓我體會「所謂遙不可及的事就只是尚未著手進行的事」。
在這之前從未出國的我,當看到系上提供的特殊機會時,我毅然決然決定放手一搏。不過,第一次出國就是獨自赴美,這樣的想法屬實驚險,在這之中有許多擔憂,擔憂在哪個環節會出問題,簽證資料、AIT 面試,也深怕找不到當地校園附近的宿舍,一旦任一環節出問題,提早幾個月前的機票將化作白費,此旅程化為幻影。因此,在赴美之前的日子,我不斷地在網路上搜尋過來人的經驗,深怕遺漏需要留意的事宜,亦在師長們提及需準備的資料後,在第一時間盡快完成。寒假結束之前,已將護照及機票處理完成。
可以說寒假過後需要完成的事項更是整趟旅程中的重頭戲之一。二月開始,首先就是處理住宿問題,前前後後與 UIUC 校方接洽數次有關於短期宿舍的申請,最終無果。也嘗試與轉租(Sublease)單位人員詢問,大多皆不願意轉租給像我只待兩個月的短期學生。幾番波折後,最終幸運找到合適的宿舍,步行到該校物理系館只需 10 分鐘。接續是在四月底時收到 UIUC 校方跨海郵寄的資料袋,裡面包含海外實習注意事項、DS-2019(SEVIS 及簽證申請必備資料)、DS-7002(紀錄實習的內容)、保險要求等。這份資料寄過來的該週末我就將它填寫完成,因為在那之前我查詢過 AIT 面試,就算填寫完面試申請,少說需要等一個月,因此需要盡快將資料完成。果真我的台北 AIT 面試日期是 5 月 29 號。整趟行程前置準備的憂心大石全都在我面試通過(確保簽證已通過)那一剎那煙消雲散。若面試成功,會在面試後約莫一個禮拜收到附有美簽的護照,這時就是你能放心準備行李的時刻!可以提早將 DS-2019、DS-7002、保險證明、租屋處地址、學校地址等重要資料放置於同一資料夾,以便抵達美國時的海關認證。
接著就是在 UIUC 實習的日子。實習計畫中原本帶領我的是江台章教授,他的專長領域是凝態物理,但今年開始他不再收學生,所以我去實習時就不在他的實驗室,而是另外一位劉教授(Chen-Yu Liu)指導我,她的專業領域為核物理。絕大多時間都是她的一位博士生帶領我做實驗。這位博士生有三個研究專題同時進行,第一個專題也就是我們這暑假首先著重的內容,即利用光學平台來在其上方架設雷射光學系統、打造一個簡易平台,室溫可運作的教學用量子實驗平台,樣本為鑽石(不到一平方公分,要價 5000 美元),鑽石晶格中帶有一個氮原子和一個空位結合的缺陷。經過操作後,可以控制與讀出其自旋態,因此,此裝置非常適合用於教學用途。大致上是我們先將 520nm 雷射經過光纖、透鏡與顯微鏡物鏡聚焦到鑽石表面(樣本)使其被激發,再透過微波來控制 Nitrogen Vacancy(NV-) 的自旋,接著利用雷射再次照射到樣本,引發樣本 NV- 中心發出螢光,螢光亮度與自旋態有關,可用來測量自旋態。下一步可以用物鏡與分光鏡(只讓紅光通過)及 600nm 長通、900nm 短通(只接收螢光)的濾波器來組成光學系統收集訊號。再將訊號放大之後來讀取量子自旋的物理性質。雖然我的實習時長無法待到量測結果的那一天,但幸運的是,我能從頭與研究生共同打造此系統,之中也有許多精髓。
可以說,專題一的進行時間剛好是我去 UIUC 才開始的,有一些零件或是軟體是我們邊打造實驗系統邊訂購與安裝,因此,等待部分零件到貨需要時間,我與研究生利用這段時間專注於第二個專題與第三個專題,專題二與專題三有本質上的關聯性。兩個研究都是為了控制氫與氚的原子。
在專題二是用永久磁鐵(Samarium Cobalt)來設計磁場,用於製作一個原子陷阱(atom trap),將氫原子困在固定的位置,這些氫原子是經過自旋極化的(spin polarized),內部磁性方向統一排列。也會用電腦模擬磁場分布,讓氫原子能夠「自然地」掉進磁場並被困住。這樣的磁場設計與自旋操控在未來可以與專題一結合。
我們更加專注於專題三的內容,這項研究的重點在於產生一種非常冷(接近絕對零度 1 Millikelvin)、非常純的氚原子(Tritium),氫的同位素,來測量反中微子的質量。想測量反中微子的質量,就需要非常穩定、低能量又乾淨的氚原子來源,以便精確分析它們在放射衰變時產生的電子訊號。研究的方法為使用超流體(氦-4)薄膜把氚分子冷卻並沉積,透過 RF 電漿將氚分子解離成單原子,避免分子態干擾。此時,分子會進入超流氦薄膜,原子停在薄膜表面,達到有效分離與冷卻,再用 NMR 及雷射光譜證明在 SF-He 上成功產生並維持原子態。
其中還有許多細節。不過總體來說,可以總結為我們想讓氫或氚原子變得又冷又極穩定。作法就是將氣體送進超流氦旁邊的放電腔,分子會溶進去,原子被擋在外面,所以原子自然而然就被冷卻到 100mK,並與分子分離。接著用 NMR 和雷射來確認確實是原子態。這樣而成的超冷原子源就能把原子送進永久磁鐵做的 Atom Trap 裡長時間研究,最終期待能應用於像是能測量到中微子質量等級的精密實驗。
這些大致上就是我實習旅程的內容。在研究之餘的大部分時間會在 Urbana 市區逛逛,有電影院、植物園、各式異國餐廳、圖書館、超市、咖啡廳、音樂會等等。全市持 UIUC 學生證即可免費搭乘公車,除此之外,也去了兩趟芝加哥,觀賞大都市、建築物及著名的密西根河畔步道。其實對於美國的環境,我在芝加哥機場搭公車到 UIUC 校區的途中,沿途景色早已令我感到驚嘆,一路上盡是廣大的平地,似乎毫無隔音牆的需求,玉米田與種植物一覽無遺。那種驚豔的心情就是當美劇或電影的場景浮現在眼前,腦中的情景不斷從記憶中被讀取出來,漸漸清晰,這種澎湃的情懷。甚至看到一所老舊的教堂也會感到新奇,我想出國的樂趣就是一件最小的瑣事,其中的樂趣都能被無限放大。
這趟旅程教會我一個最重要的哲學「切勿將自己設限」。正在看這篇文章的你/妳,從來沒出國經驗的我,說實話,沒想過能有朝一日獨自徘徊在芝加哥的街頭、凝望密西根湖畔與大樓交會的天際線、參觀西半球第一座天文館、在 19 世紀建造的富有歷史氣息的學校內與世界另一端的朋友進行科研,現在回想起來仍似一場遊戲一場夢。世界之大,唯有不設限的心,才有不斷拓展的可能。
也非常感謝東海大學物理系提供如此珍貴的機會,這是我莫大的福氣與機緣。也希望對此實習計畫有興趣與熱情的學弟妹們能夠採取行動,祝福你們!
