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鑽石恆久遠,能當收音機

  撰文者:  2017-02-02
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廣告的力量是強大的。當初大詩人屈先生含冤跳江,才換得中華民族端午節吃粽子的習俗,而醬油公司只不過做做廣告,就可以讓台灣民眾每年中秋相揪烤肉。然而,和鑽石的行銷手段相比,烤肉醬乃小巫見大巫。在鑽石商不屈不撓的洗腦下,鑽石儼然成為真愛的最佳代表物,準備鑽戒也變成大多數人求婚時的必要開銷。

 

鑽石被建立起這種形象也不是沒有道理,這種由碳元素正八面晶體所構成的物質,由於碳原子間的共價鍵強,沒有自由電子且晶格排列整齊,因此硬度高、不導電、耐高溫、不易產生化學反應又能透光;換成文藝一點的說法,就是堅不可摧、持久永恆且晶瑩剔透,跟真正的愛情一點也不一樣,所以能成為理想愛情的表徵。

除了供人觀賞之外,鑽石亦有工業應用的價值,用作工業切割是最基本款的功能。因具有優異的熱傳導率、楊氏模數及光折射率,鑽石做為聲學、光學或散熱材料也相當有潛力。甚至,基礎科學也把鑽石視為做研究的目標。

當晶體結構中周期性的排列規律被打破時,我們稱之為晶格缺陷。鑽石晶體中,有種缺陷稱做「氮-空缺中心」(Nitrogen-vacancy center),係用一個氮原子取代碳,再把另一個相鄰的碳原子移除而形成。因氮原子較碳原子多出一個價電子,當「氮-空缺中心」處於帶負電荷的狀態時,在缺陷處會形成一雙電子對。一般而言,量子系統需在低溫環境下才能顯性與維持,易受熱干擾而被破壞;但處於「氮-空缺中心」中的電子對,受到鑽石晶格的保護,在常溫下,還能保持量子特性。

N-Vcenter(Credit:Materialscientist, on Wiki, CC 3.0 )

 

哈佛大學的科學家和戴比爾斯鑽石公司(De Beers)的研究團隊,利用「氮-空缺中心」的量子特性,製作出號稱世界最小的收音機。某個程度來說,這個稱號是理所當然的,因為氮-空缺中心也就兩個原子那麼大。

「氮-空缺中心」當中的電子對,可維持其自旋狀態一段時間。鑽石收音機運作的原理為是這樣的:當這對電子的自旋方向相反時,他們所處的能態較低,而自旋方向相同時,則會處於較高的能態。這兩個能態的能量差距,若換算為電磁波的頻率,剛好落在無線電波的波段,因此能做為無線電的感測器。

事實上,這台收音機沒有那麼小,它還需要外接一台雷射、一個光感器及一個揚聲器。當雷射照射氮-空缺中心的電子對時,電子被激發後再放出螢光;此時若接收到頻率正確的無線電波,螢光強度就會隨無線電波的頻率而變化。所以頻率調變(FM)的無線電訊號可被轉為螢光強度訊號,再利用光感器將光強轉為電壓,就可由揚聲器轉為音頻。

你可以在youtube上,欣賞鑽石收音機轉播的歌曲。老實說,音質沒有很好。不過研究人員還是很驕傲的,他們表示,因為鑽石的穩定性,這台世界最小的收音機在極嚴苛的環境下仍能運作,比如說在350°C的高溫中;也因為鑽石穩定,不會有奇怪的化學反應,此收音機也可以植入生物的體內。(可是為何要這麼做啊?)

因為缺了一角,不能滾得很快,所以會停下來跟小蟲閒談,或聞一聞花香,這樣的時光,令他愉快。」希爾弗斯坦在圖文書”失落的一角”中,闡述著「缺陷」的美好。在「氮-空缺中心」的研究上,我們也看到鑽石因為有了晶格的缺陷,而展現出深邃而與眾不同的氣質。


參考資料:

1.Shao, Linbo, et al. "Diamond Radio Receiver: Nitrogen-Vacancy Centers as Fluorescent Transducers of Microwave Signals." Physical Review Applied 6.6 (2016): 064008.

2. “The world’s tiniest radio”, Leah Burrows (SEAS Communications), Dec. 16,2016, HARVAD gazette. http://news.harvard.edu/gazette/story/2016/12/the-worlds-tiniest-radio/

3.A Diamond Radio Receiver (Yotube vedio) https://www.youtube.com/watch?v=aytf0Jk8YJ4&index=1&list=RDaytf0Jk8YJ4


作者:董勁吾(業餘科普寫作者,個人部落格《吳京的量子咖啡館》)



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