新聞及香港科大故事

香港科技大學（科大）物理系劉軍偉教授與上海交通大學（上海交大）賈金鋒教授和李耀義教授領導的合作研究團隊在拓撲晶體絕緣體碲化鍚的超導渦旋上發現了一種新的馬約拉納零能模（Majorana zero modes，MZMs），同時研究出利用晶體對稱性調控MZMs間的雜化方法。這項最新發現開闢了實現容錯量子電腦的新途徑，研究結果發表在《自然》期刊*上。 MZMs是超導體中的零能量的、拓撲非平庸的準粒子，其粒子編織方式是非阿貝爾的，即是即使交換次數相同，以不同次序交換粒子，也會產生不同的量子態（圖1a）。這特性與電子和光子等一般粒子截然不同，因為一般粒子的量子態和交換的次序無關（圖1b）。MZMs的這項扭結編織特性可以保護MZMs免受局域的干擾，所以它們是實現容錯量子運算的理想平台。雖然近年科學家發展出人工製造拓撲超導體的方法，但由於在實驗室中實現MZMs編織所需特定磁場，又難似控制對MZMs之間的雜化，而這些實驗中的MZMs相距亦甚遠，一直無法成功耦合MZMs。 科大的理論研究團隊和上海交大的實驗團隊合作，利用製備拓撲材料、以掃瞄穿隧顯微鏡測量和大規模數值模擬的豐富經驗，研究出嶄新方法來耦合MZMs，突破過往實驗的瓶頸。他們在碲化鍚中發現了一種受晶體對稱性保護的MZMs，首次證實了多個MZMs能同時存在於同一超導渦旋中；在不涉及遠距離移動MZMs和強磁場的情況下，破壞磁性鏡像對稱性，同一渦旋中操縱了MZMs的雜化。（圖2）

香港科技大學（科大）工學院的一支研究團隊開發了一個新型環保製冷裝置，其製冷效率大幅增加逾48%，刷新世界紀錄，有望減少全球能源消耗之餘，亦可為依賴製冷技術的行業帶來改革轉型。彈卡製冷技術的效能大幅提升，亦有助推動這項顛覆性技術的商業化，並減低傳統製冷技術對環境所造成的不利影響。 傳統的蒸氣壓縮製冷技術常用的製冷劑容易對環境造成污染。有鑑於此，科學家一直研究對環境友善的替代方案，當中以「基於形狀記憶合金循環相變潛熱固態彈卡製冷技術」尤為重要。這種技術使用的形狀記憶合金製冷劑不僅不含溫室氣體，而且高效及可100%回收利用。然而，所有已開發裝置的「溫跨」，即顯示製冷設備將熱量從低溫源傳遞到高溫散熱器的能力指標，卻相對較小—如約20-50 K，大大阻礙了這一新興技術的商業化。 為了應對這個挑戰，機械及航空航天工程學系的孫慶平教授與姚舒懷教授率領其研究團隊，研發了一種多材料級聯彈卡製冷裝置，並成功打破這款裝置的製冷效能世界紀錄。 他們選擇了三種具有不同相變溫度的鎳鈦合金，分別在冷端、中間端和熱端工作。通過匹配各單元的工作溫度與相應的相變溫度，整體裝置的超彈性溫度窗口擴大至100 K以上，使得每個鎳鈦單元均能在其最佳溫度範圍內工作，顯著提升了製冷效率。該多材料級聯彈卡製冷裝置在水側實現了75 K的溫跨，超越了之前的50.6 K世界紀錄。這項研究突破最近發表在頂尖期刊《自然能源》(Nature Energy)上，題為「A Multi-Material Cascade Elastocaloric Cooling Device for Large Temperature Lift」。

香港科技大學（科大）工學院的研究團隊成功研發了一款利用鈣鈦礦量子線製成的全彩纖維發光二極管，為可穿戴照明和顯示設備的創新發展創造了有利條件。 纖維發光二極管（Fi-LED）因與紡織品的製造兼容及具有均勻的空間亮度，是柔性LED顯示領域中常用的關鍵組件。金屬鹵化物鈣鈦礦（MPH）因具備卓越的光電性能，已成為新一代LED中極具潛力的發光材料。儘管潛力巨大，利用MPH製造纖維發光二極管仍存在不少挑戰，包括由引力和表面張力造成的不均勻塗層、低質量的結晶，以及複雜的電極沉積過程，這些均會導致不均勻及低效率的發光。 為了解決這些難題，科大電子及計算機工程學系和化學及生物工程學系講座教授范智勇的研究團隊採用了一個新穎的方法，在薄鋁纖維上使用多孔鋁膜模板。多孔鋁膜具有約5納米的超小孔徑，MPH前驅體溶液通過卷對卷溶液塗布技術注入多孔鋁膜，隨後進行退火程序，以達致空間均勻的溶劑蒸發和MPH的結晶。這個方法令鈣鈦礦量子線陣列能均勻生長，並大大減低了多孔鋁膜表層上多餘的薄膜結構的形成。 研究團隊成功製成了發射峰值分別為625納米（紅色）、512納米（綠色）和490納米（天藍色）的纖維發光二極管。這些二極管展現出良好的彎曲性和延展性，使其適用於紡織照明的應用。研究團隊並製作了多款二維和三維的結構，包括二維全彩字符串「I ♥ HKUST」，它們均具有出色的熒光均勻性。此外，他們又利用能產生漸變顏色的鹵化物鈣鈦礦量子線製作了維多利亞港的「夜景」，突顯了纖維發光二極管的多功能性和美學潛力。 是項研究為纖維發光二極管的技術帶來了重要進展。團隊未來將著力提升纖維發光二極管的效率和穩定性，探索新的鈣鈦礦成分以增加發光顏色的數量，並將這些設備整合到商業紡織產品中。 范教授說：「量子限域效應與三維多孔鋁膜結構的鈍化相結合，使我們能夠實現出色的光致發光和電致發光效率。我們的創新方法為製造非常規的三維結構光源開闢了新的可能性，並為先進可穿戴顯示技術的發展提供了有利條件。」

香港科技大學（科大）工學院的一支研究團隊首創一種手性構型的界面微結構，用於鈣鈦礦太陽能電池。該創新界面概念大幅度提高了電池的可靠性和光電轉換效率，有助於加速鈣鈦礦電池的商業化進程。 鈣鈦礦太陽能電池是一種以鈣鈦礦結構化合物作為吸光材料的新型薄膜太陽能電池。這種薄膜太陽能電池生產成本低，製造工藝簡單。有別於傳統矽太陽能電池，鈣鈦礦太陽能電池無需昂貴的高溫、高真空製造工藝，可採用高通量溶液印刷工藝製成。近年來，鈣鈦礦太陽能電池的性能正急速提升。儘管如此，要實現鈣鈦礦電池的最終商業化，依然有一些技術障礙，當中以其在戶外環境場景下長期運行的耐久性問題尤為明顯。研究人員發現，鈣鈦礦太陽能電池各功能層之間的界面附著力不夠強，是導致器件耐久性技術問題的科學根源之一。 為解決這個問題，科大化學及生物工程學系周圓圓副教授及其研究團隊從天然手性材料的機械強度中獲得靈感，在鈣鈦礦太陽能電池中獨創性地構建了手性結構界面，極大地提高了器件耐久性。 研究團隊在鈣鈦礦吸光層和電子傳輸層之間嵌插了一層基於R-/S-甲基苄基銨的手性結構中間層，構建了一個堅固且具有彈性的異質界面。經封裝的太陽能電池在國際電工委員會（IEC）61215太陽能電池標準下，經過200次在-40°C和85°C之間的循環，合共1,200小時的測試後，仍保留了92%的初始轉換效率。 香港研究資助局博士後、現任科大化學及生物工程學系研究助理教授段甜偉博士說：「手性材料具有有趣的機械特性，這與它的子單元螺旋排列有關，就如同機械彈簧。」她補充道：「在關鍵器件界面引入手性結構中間層，可以使鈣鈦礦太陽能電池在各種器件運行狀態下更具機械耐久性和動態適應性。」 周教授說道：「現在我們已經看到了鈣鈦礦太陽能電池商業化的曙光。這些電池已經展現出非常高的光電轉換效率，一旦我們最終能克服它們在現實場景服役的耐久性問題，它們將具有極高的能源市場價值。」

香港科技大學（科大）工學院的研究團隊最近成功研發了一個新型人工複眼，不僅於小範圍區域的靈敏度較市場產品高出兩倍以上，成本亦更低。新技術有望革新機械人視覺系統發展，並可提升機械人的導航、感知及決策等能力，為人機協作開拓更大的商業應用與發展潛力。 這個創新系統模仿生物複眼的視覺功能，應用範圍極廣，例如可以配合無人機，協助提升其於灌溉，或災難事故現場偵測搜救等工作的效率和精準度。而高靈敏的人工複眼亦能更廣泛及準確地偵測並連結毗鄰的機械人，促進機械人或無人機群的合作。長遠而言，人工複眼技術將能有效提升及改善無人駕駛的安全性，亦可加快智能化交通系統的應用，推動智慧城市發展。 新型複眼的研發由科大電子及計算機工程學系和化學及生物工程學系講座教授范智勇及其研究團隊領導，標誌著仿生視覺系統領域上的重大進展。一直以來，機械人專家參照昆蟲複眼這種具有廣闊視野和動態捕捉功能的特性，利用可變形的電子設備，為機械人製造人工複眼。然而，基於變形過程的複雜性和不穩定性、幾何形狀的限制，以及光學元件與探測器單元之間潛在的不匹配狀況等技術問題，透過這種方法製造的複眼系統，較難整合到如機械人或無人機等自主平台。

太陽能或光伏技術是指將光能轉化為電能的清潔可再生能源技術，在全球應用日趨普遍。香港科技大學（科大）工學院的研究人員開發了一種分子鈍化處理方法，顯著提高了鈣鈦礦太陽能電池的效能和耐用性，有助於推進這種清潔能源的大規模生產。 是次突破的竅門，在於團隊成功識別出鈣鈦礦性能和壽命的關鍵材料參數。鈣鈦礦被譽為新一代光伏材料，由於它具有獨特的晶體結構，令它在光伏再生能源有著莫大的潛力。此項研究成果已於《科學》期刊上發表。 在科大電子及計算機工程學系、先進顯示與光電子技術國家重點實驗室的林彥宏助理教授帶領下，團隊探索了多種鈍化方法。鈍化是一種化學處理過程，可以減少材料中的缺陷，或減少缺陷帶來的影響，讓製造光伏器件時，電池性能得以提升，以及延長電池的工作壽命。而這個研究項目的一個重點，就是怎樣使用「氨基硅烷」系列分子來鈍化鈣鈦礦太陽能電池。 林教授介紹說：「怎樣可以提升鈣鈦礦太陽能電池的效能呢？在最近十年的技術發展中，『鈍化』工藝擔當了重要角色。然而『鈍化』有多種不同方式，其中能達致最高效能的那些方法，往往在器件長期工作的穩定性方面並不能帶來顯著改善。」 針對著鈣鈦礦多晶薄膜表面存在著大量的缺陷態，團隊首次展示了不同類型的氨類分子（即一級氨、二級氨或三級氨），以及如何使用這些氨類分子改善這些表面。他們分別使用「外部」（工作環境外）和「內部」（工作環境內）方法觀察分子與鈣鈦礦之間的相互作用，然後辨識出可以大幅提高光致發光量子效率的分子。換句話說，他們找到了哪些分子可以使得材料受激發時發射更多光子，令表面缺陷減少、品質提高。 林教授進一步解釋：「我們今次研發出這種方法，對於鈣鈦礦堆疊型太陽能電池的發展意義重大。鈣鈦礦堆疊型太陽能電池結合了具有不同帶隙的多層光活性材料，由於這種設計能在每一層吸收太陽光的不同部分，充分運用太陽光譜，所以它得以提高整體效能。」

由香港科技大學（科大）領銜的國際跨學科研究團隊提出制定策略性綠氫碳排放標準，能推動製氨工業經濟有效地近100%減碳，同時避免土地資源緊張和電網擁塞等問題。這項開創性研究首次確定了最優成本的製氨工業產氫設施和排放標準。 氨生產主要依賴化石燃料製氫，每年在歐洲產生 3,600萬公噸的二氧化碳排放。通過水電解產生綠氫，可以大幅減少碳排放，因為它只需要電力，而電力可藉由可再生能源產生。 然而向低碳氫能轉型造成經濟和運輸的巨大挑戰，以電網產生綠氫尤甚。地區因素帶來複雜影響，當中包括可再生資源的供應及當地電力生產的碳強度，以致排放標準和生產成本之間的關聯機制尚不明確。

香港科技大學（科大）工學院的研究團隊首次發現，鈣鈦礦薄膜的晶粒底部廣泛存在表面內凹的結構，並揭示了這種結構對於鈣鈦礦薄膜性能和可靠性的重要影響。基於這項新發現，團隊開創了一種有效消除這些晶粒表面內凹結構的新方法，使鈣鈦礦太陽能電池更加高效和穩定。 鈣鈦礦太陽能電池是一種極巨潛力的光伏技術，被廣泛認為有望在電網供電、便攜電源和太空光伏電池等廣闊的應用場景中取代現有的矽基太陽能電池。鈣鈦礦太陽能電池具有其獨特優勢，它目前不僅具有比商用矽電池更高的功率轉換效率，還在原料和製造成本低廉、可持續製造，並可特製不同透明度和顏色的電池等方面具有優點。然而，鈣鈦礦器件在光、濕、熱致應力下的長期穩定性仍然是其商業化的主要障礙。 為解決這一問題，科大化學及生物工程學系副教授周圓圓帶領的研究團隊，從材料微結構這一獨特方向開展基礎研究工作。研究團隊發現，在鈣鈦礦薄膜的晶粒廣泛存在表面內凹幾何形貌。這種高度隱蔽的內凹結構破壞了鈣鈦礦薄膜界面的結構完整性，是限制鈣鈦礦電池功率轉換效率和穩定性的隱藏因素。 研究團隊採用創新方法，透過利用表面活性劑分子「十三氟己烷-1-磺酸鉀」（tridecafluorohexane-1-sulfonic acid potassium）來操控鈣鈦礦薄膜形成過程中的應變演化和離子擴散過程，成功消除晶粒表面內凹結構。團隊以此製作的鈣鈦礦太陽能電池在熱循環、濕熱和最大功率點跟蹤的標準測試中表現出顯著提升的耐久性。 這項研究的通訊作者周教授說：「單個晶粒的結構和幾何特徵將決定了鈣鈦礦太陽能電池和其他半導體器件的性能。透過揭示晶粒表面內凹結構、研究它們對性能的影響，並利用化學工程定制其幾何形狀，我們正在開拓一種全新的鈣鈦礦太陽能電池製造方法，使其效率和穩定性接近理論極限。」