伊林教授與學生合影 (後排正中央為伊林教授)

複雜系統實驗室

指導教授 - 伊 林

地址: 320中壢市五權里38號中央大學物理系 (科四館5樓503-1室)

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本實驗室成立於 1983 年，利用近世發展之複雜系統、非線性動力學、統計、凝態、電漿、流體、軟物質物理等概念，近年來對複雜系統如弱離子化電漿系統、微奈米尺度系統、流體、軟物質等系統之基礎物理與應用從事跨領域深入研究如下：
　
(A) 微粒電漿晶格與集體動力行為研究

若將微米左右直徑的微粒置於電漿中則形成所謂微粒電漿系統（dusty plasma）。一個微米尺度微粒於電漿中可載一萬個左右負電子，可懸浮於電漿中，並透過荷電微粒間巨大的庫倫力形成一強耦合之電漿體。若將背景熱擾動降低，懸浮微粒可排列成整齊晶格狀態，稱之為電漿晶格。電漿中形成微粒電漿晶格的理論預測早在1986年 由日本學者 Ikezi 完成，然遲遲未見實驗證實。本實驗室於 1993 年領先國際諸研究群，利用電漿技術合成微粒，發展微粒電漿阱，首度使懸浮微粒排列成整齊晶格狀態，並可透過系統控制轉換至液態與氣態。微粒間距約數百微米，可利用光學顯微鏡配合數位影相處理技術，追蹤微粒位置。就凝體物理、統計物理觀點言，可利用此系統，透過直接觀測了解強耦合多體系統微觀結構與動態行為。此項獨特研究為電漿物理研究開創一新子域，連接電漿與凝體物理，造成後續國際微粒電漿研究蓬勃發展。本室近年來以實驗配合電腦模擬進行下列多項領先研究如下:

1) 證實如理論預測微粒在低擾動下可因其斥力整齊排列成如 bcc, fcc, hcp等各型 Wigner 晶格結構，增加系統 rf 功率使晶格熔解成液態乃至氣態。

2) 進行準二維晶格 (六角柱狀體)固- 液相變時動力行為研究，探討自發微渦流(micro-vortex)及缺陷(free dislocation)之產生，運動，交互作用，散射，幻滅，等動力行為。

3) 追蹤粒子軌跡，探討相變及液態時之微觀結構與動力行為。如系統平移秩序與方向秩序性在相變與液態的時空尺度律、缺陷的分佈、系統在逐漸喪失秩序時的異常擴散行為，及其與集體運動之關係。

4) 設計圓型微粒阱，形成一至數十乃至數百顆微粒之強耦合微粒庫倫團，此系統可探討巨觀凝體系統在極小粒子數之極限行為另一方面此系統等同於 J.J. Thomson 於 1904 年所提出之古典原子(葡萄乾模型)系統。此系統中除探討在向心力與庫倫力下所產生之層殼結構與三角晶格結構間之交互競爭並以非線性動力學觀點探討少體系統動力行為。

5) 以雷射光束射入電漿晶格或液體中，透過雷射光壓推動微粒，探討在剪力場場下多體系統微觀動力行為。

6) 設計長方形侷限阱，形成長數十晶格，寬約十晶格長度的長條形二維微粒團。利用平行但相反方向的雷射束推動其二長邊。此系統可模擬在二平行板間極薄的固、液體膜。可探討彈力與黏滯力在不連續極限的微觀起源。

7) 發現自發性微粒電漿密度波，並利用直接觀測或光散射展開波動乃至紊流（turbulence） 中微粒動力行為。

　
(B) 非線性動力行為研究

弱離化電漿系統中荷電粒子間之長距離作用力與系統之巨大自由度使其展現豐富之動力特性，為一典型之複雜動力系統，可驗證近世發展之非線性混沌理論。本實驗室進行電漿系統中首度由近代非線性混沌觀點探討之系列實驗研究，所使用之 glow discharge 為少數除流體外複雜然可精確控制實驗系統。


1) 探討其由規則至時空混沌途徑及歧分點附近非平衡相變行為，研究雙穩態遲滯迴路高速週期調制下之暫態與隨機躍遷行為。

2) 首度以實驗證明自發系統 (limit cycle 歧分點附近）隨機共振行為之存在，並探討limit cycle 二外控參數遭週期調制下幾何相角問題。

3) 進行空間自組結構研究，發現其自組游離行波，孤立子，及數孤立子結合成似分子狀之穩定結構，並探討其動力行為。

(C) 高功率脈衝雷射照射固體表面誘發效應研究

以數奈秒數百毫焦爾的高功率脈衝雷射照射固體表面，透過瞬間加熱，可引發高速電漿噴流射離表面。若灌入背景氣體，噴流可與氣體作用形成衝擊波，展現複雜動力行為。本室探討下列諸研究：

1) 高功率脈衝雷射直接聚焦於懸浮微粒庫倫團中央所引發的庫倫團爆炸行為。雷射剝鍍產生的高密度電漿經由非線性成長推擠外圍懸浮微粒形成三度空間孤立子, 在背景離子流牽引下往下移動並在其後產生尾波。

2) 噴流與微粒電漿作用的動力行為。

3) 高功率脈衝雷射加熱後固體表面所形成的特殊自組型構 (self-organized patterning)。

4) 噴流與弱離化電漿作用的動力行為。

　
(D) 電漿中微奈米尺度微粒與薄膜材料成長研究

電漿為含電子、離子、中性原分子，乃至帶電微粒子之集合體。自然界中之電離層，太陽，星際物質等均為電漿體系。電漿中粒子之高動能使其在工業界亦有廣泛應用價值，如利用其產生高能電磁波、提供產生核能之熱核融合環境、或從事半導體及材料工業界所需之精密材料製程。本室設計獨特磁控電漿系統，發展薄膜及微粒成長技術，並對電漿特性、薄膜與微粒成長機制、材料特性進行研究。此系統特有之低能量高流量離子表面撞擊，可促進表面之物理與化學程序，可將傳統製程所需之300° C以上基材溫度降至室溫。成長高品質堅實平整薄膜。

1) 發展低離子能量高離子密度的射頻磁控電漿系統，進行高效率高品質的奈米尺度電漿蝕刻，電漿化學氣相沈積，電漿氧化等薄膜製程。

2) 成功發展氧化矽, 碳化矽等超薄多層膜及10 nm 至 1 mm 微粒製程並探討其光電特性。

3) 以此系統與雷射蒸射系統結合發展成功高品質金屬氧化膜製程。

4) 建立即時量測，探討在低能電漿撞擊或高功率雷射照射下微粒與薄膜成長動力行為。

　
(E) 軟物質 (soft matter) 與生物材料的微動力行為研究

軟物質與生物材料研究為近世快速發展的典型複雜系統研究，本實驗室結合近年來所建立的非線性多體微動力複雜系統之基礎物理概念、顯微影像觀測技術、微奈米系統製程發展技術等優勢，近月來積極開展軟物質與生物材料在微米左右管道中微觀動力行為與結構研究。目前進行與開發中的研究如下：

1) 大腸桿菌在微米尺度流管中的集體複雜動力行為。

2) 利用光鑷操控技術，研究DNA分子在微奈米流管中的集體複雜動動力行為。

3) 利用共軛焦顯微鏡(Confocal Microscope)，研究蛋白質分子在二維液態脂膜上的集體複雜動動力行為。

未來研究方向

I. 持續進行微粒電漿系統中相變及液體其微結構與動力行為的研究

II. 利用電漿及高功率脈衝雷射進行微奈米尺度之材料成長與特性研究

III. 軟物質、生物系統微觀尺度下型構與動力行為研究

IV. 其它有趣相關研究