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【顯光人物】110年吳大猷先生紀念獎得主劉明豪──模擬真實量子傳輸實驗 探索新穎材料電子行為

文/樊語婕 圖/成大物理學系副教授劉明豪
 
懷抱著科學家與足球員雙夢想,劉明豪利用課餘時間踢球,也如願成為物理學家,鎖定介觀物理、石墨烯、量子傳輸等領域研究,為眾多實驗團隊提供量子傳輸模擬,計算出與傳輸實驗高度吻合的結果,進而準確了解實驗量測結果中的物理機制,他更創建量子傳輸虛擬實驗室,逐步完備軟硬體與專業人才,持續發掘、預測新奇有趣的量子傳輸現象。
 
自幼成長於高雄縣岡山鎮(現今高雄市岡山區),劉明豪的父親為上班族,母親為家管,父母給予他高度自由、適性發展,而這正是適合他的教養方式。童年的他跟很多男孩一樣,長大後想要成為一名科學家,另外,受到世界盃足球賽與任天堂電玩「天使之翼」的啟發,也懷抱著足球員夢想,孩提時跟同學玩票性地踢球練球,大學開始加入校隊,持續參加大專足球聯賽,一直到博士班畢業。
 
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110年吳大猷紀念獎得主劉明豪
 
懷抱物理學憧憬 鑽研萬物的道理
 
談起物理學,劉明豪是在高二時發現自己的優勢,「我對物理的興趣是隨著分數而帶動。剛開始是稍微努力一下就獲得好成績,獲得成就感,有成就感就更喜歡花時間在這科,進而拿到更好的成績,良性循環下也就培養出了高度的興趣。」他回憶到,當時還有一個自以為是的想法,「覺得物理就是萬物的道理,所有事物都必須遵循著它,非常的 Powerful!」
 
懷抱著對於物理學的憧憬,劉明豪進入中山大學物理系,之後北上就讀研究所,攻讀博士期間鑽研量子物理領域中的電子自旋行為,於 2008 年取得台灣大學物理博士學位後,當兵時積極申請在歐洲的博士後研究機會,由於當時石墨烯材料正興起,他將研究計畫鎖定於電子自旋在石墨烯的空間行為,爭取到德國亞歷山大洪堡基金會(Alexander von Humboldt Foundation)獎學金,退伍後即赴德國雷根斯堡大學(University of Regensburg)進行為期兩年的博士後研究。
 
一開始劉明豪尚未獲得實驗室老闆的信任,在進行研究時,他經常向老闆回報進度、努力說服他模擬試算的數據具有價值且值得發表。也因此,第一個研究案磨了許久,一年之後終於能夠發表論文,對於有些年輕學人而言是一大考驗,他卻樂觀地笑著說,「就臉皮厚一點啊,堅持撐過去!」撐過第一年之後,他的研究成果開始大幅成長,獎學金支助的兩年期滿後,雷根斯堡大學又多次讓他留任,他也在德國度過超過六年的研究光陰。
 
轉進電腦模擬計算 驗證實驗結果
 
在德國發表第一篇論文的同時,劉明豪發現到,關於許多量子傳輸實驗的量測,還沒有學者以電腦模擬計算出與實驗高度吻合的結果,他開始從純物理研究轉向,對於這個新的研究方向感到興趣,逐步嘗試、開發出可行方法。
 
2012 年在荷蘭參加石墨烯年度大會 Graphene Week 時,他遇見了來自瑞士的學者 Peter Rickhaus,兩人便攜手合作,由 Peter 提供最新實驗結果,他進行電腦模擬計算,了解是否可以用電腦模擬計算出跟實際實驗一樣的結果。他進一步說明:「電腦模擬就是一切都很理想的狀態,因此,如果有一個實驗跟電腦模擬得出來的結果一樣,意味著這個實驗近乎完美!」
 
兩人多年來一直持續合作,去年還共同於《Science Advances》期刊上發表文章〈The electronic thickness of graphene〉,這個讓劉明豪感到十分自豪的研究來自於很酷的實驗,「導體顧名思義可以傳導電子,導體之間的相接處當然可以導通電子,一張石墨烯是導體,兩張石墨烯放在一起居然可以不導通,這樣的不導通會造成某些現象,讓我們間接推測出一張石墨烯的電子雲厚度!」基於「兩張石墨烯不導通」的假設,劉明豪透過電腦程式進行理論模擬,得到跟實驗一致的結果,進一步證實了這個假設的正確!
 
多年來,每當合作的團隊有了實驗成果出爐,劉明豪就扮演「理論模擬輔佐」的角色。而在德國博士後生涯接近尾聲時,強大的傳輸模擬計算也讓他有信心開始自行構思實驗可行、但尚未被想到的設計,進行傳輸模擬計算,以探索甚至預測有趣的量子傳輸行為,吸引實驗物理學家進行證實。2017 年 2 月甫至成大任職,他以第一作者於《Physical Review Letters》發表一篇題為「Creating and Steering Highly Directional Electron Beams in Graphene」的論文,正是這樣一篇前瞻的純理論研究成果。
 
2014 年由於當時父親身體狀況不佳,他開始爭取回台任教,並鎖定離家鄉較近的成大,歷經三度的嘗試,終於得以加入成大物理系教學團隊。談起成大的研究優勢,他盛讚成大擁有 MATLAB 主程式與所有工具箱(TOOLBOX)的完整使用權限,所有師生都能盡情應用,大勝當年他進行博士後研究的德國雷根斯堡大學(全校僅開放約 60 個名額),對於研究須要程式撰寫、測試、數據分析,以及教學都助益甚大!
 
聚焦研究介觀尺度量子傳輸
 
研究專長為介觀物理、石墨烯、量子傳輸等領域,劉明豪聚焦研究電子於介觀尺度下的量子傳輸行為。介觀物理是介於微觀物理與巨觀物理之間的尺度,劉明豪分享,會著迷於介觀物理的緣由,正是因為它是同時具有古典力學與量子力學都能解釋的世界,「不是兩個極端,是中間過度區,因此更為豐富多彩!」
 
石墨烯已成為目前當紅的新穎材料之一,劉明豪近年專注於石墨烯等二維材料,為不同實驗團隊提供高品質的量子傳輸模擬。隨著石墨烯領域的研究越來越複雜,量子傳輸模擬越來越難計算,劉明豪卻點出,其實對於物理研究而言,能用越簡單的理論來解釋一些現象才是越高段,就如同家喻戶曉的美國物理學家費曼(Richard Feynman)曾說,「If you can't explain something in simple terms, you don't understand it.」
 
談到榮獲「110 年吳大猷先生紀念獎」的過程,劉明豪笑著說,收到科技部的 Email 本來以為是詐騙,接到電話知道自己入圍,也認為強敵太多不抱希望,直到 7 月底他才開心地確認獲獎,更鞭策自己未來要做得更好!
 
當年那個認為物理無所不能的少男,在追尋物理學 20 年後,仍舊持續探索!除了與眾多不同的實驗室合作,劉明豪也透過科技部研究計畫補助,逐步建立量子傳輸虛擬實驗室,2018 年在前德國同事 Bundesmann 博士來台協助下開始架設電腦叢集(Computer Cluster),一開始僅有 3 台工作站、不到一百顆 CPU,至今已擴充到 15 台工作站、超過五百顆 CPU。未來將逐步擴充,目標朝向兩千顆 CPU 邁進,並持續強化團隊硬體方面的計算能力,以發掘、預測更多新奇有趣的量子傳輸現象!
 
維護單位: 新聞中心
更新日期: 2021-10-14
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