研究與創新 |
科大研究團隊解開氮氧化物與大氣中硫酸鹽間關係之謎 為改善霧霾污染帶來新希望

由香港科技大學(科大)領導的一支科研團隊,近日首次揭示氮氧化物(NOx)如何影響大氣中硫酸鹽的多寡,以及其與霧霾形成的關係,為解決空氣污染的政策制訂者提供新見解。

由污濁濃霧所帶來的低能見度、高濕度以及高濃度PM2.5懸浮粒子的現象,一直對包括中國內地在內的大城市造成困擾。而在各種直徑小於2.5微米(PM2.5)的污染物中,由二氧化硫(SO2)在大氣中氧化而產生的硫酸鹽,是霧霾成因中最普遍的成分之一。

雖然科學界早已知曉二氧化硫與硫酸鹽之間的反應物-產物關係,但形成過程中所涉及的氧化劑及氧化過程非常複雜多樣化,特別是氮氧化物在這過程中扮演的角色,一直沒有一個清晰的理解。有別於直接由汽車廢氣以及燃燒如煤、柴油和天然氣等化石燃料而產生的氮氧化物,硫酸鹽並非直接由污染源頭排放,因而令希望控制它的研究人員及政府官員感到頭痛。今次研究乃科學家首次系統闡述氮氧化物如何於不同情況下,透過氧化過程影響製造硫酸鹽的一連串化學反應。

由科大化學系兼環境及可持續發展學部教授郁建珍領導的研究團隊,與加州理工學院的研究人員合作,發現了氮氧化物在三種不同的化學環境中以不同機制影響硫酸鹽的形成。在低濃度氮氧化物環境中,氮氧化物催化氧化劑的形成,促進硫酸鹽的形成;在霧霾籠罩時所出現超高濃度氮氧化物的環境中,溶於霧滴中的氮氧化物直接作為氧化劑,也促進硫酸鹽的形成。惟在中高濃度氮氧化物的環境中,由於二氧化氮(氮氧化物家族的一員)消耗了羥基自由基,令其不能有效地氧化二氧化硫,繼而抑制硫酸鹽的產生。

研究結果顯示,要在高污染的霧霾條件下減少硫酸鹽的形成,必須同時控制二氧化硫與氮氧化物的排放,但是,當氮氧化物排放達至中高量時,由於大氣中的二氧化氮會抑制促進硫酸鹽形成的羥基自由基,減排氮氧化物反而會導致空氣硫酸鹽增加。

郁教授表示:「由於硫酸鹽在大氣中形成,不能被直接調控。若想減低空氣中硫酸鹽的含量,便必須從其前體物(如二氧化硫、氮氧化物)入手,追溯這些成份與硫酸鹽之間的定量關係。這項研究解構了硫酸鹽與它其中一種可控的前體物-氮氧化物(NOx)之間的關聯機制。低濃度和極高濃度的氮氧化物均會加強硫酸鹽的形成,故政策制定者在嘗試控制氮氧化物的排放時,應加以注意。」

由於硫酸鹽是其中一種導致霧霾和酸雨的主要成份之一,不但阻礙視線或令水生環境變酸,還危害人類健康。這項研究為如何有效控制造成這些事件的主要污染物奠下基礎,配合更深入的了解和落實更佳的控制措施,研究結果將有助改善空氣質素,為公眾健康和生態系統帶來更完善的保護。

是次研究成果已於科學期刊自然-地球科學中發表。

大學公告 |
2020年度本科最新入學資訊

明報《明路》「行業學堂」專訪 - 理學院本科生理學課程的最新發展 (2019年12月17日)

 

 

學生發展及生活 |
越洋萬里拓闊視野

科大一直致力吸納世界各地的學生,以推動校園多元發展及國際化;而為了進一步擴大非本地生組合,大學在2018推出了「海外中學訪問團計劃」,讓中亞及中東的高中輔導老師深切認識科大為當地學生所提供的升學機會。該計劃在2019年三月再接再厲,讓逾30名來自九個西歐國家的高中輔導老師參與。兩位分別來自哈薩克和土耳其的科大學生,就和我們暢談來港升學的由來和感受。

祖籍哈薩克的生物科技及商學理學士四年級生 Kamila ABDRASSILOVA,見證了越來越多同鄉入讀科大的趨勢 – 她回想抵埗之初,全校的哈薩克學生只有七人,相對今天的14人,四年間增長高達一倍。

選擇大學時,Kamila不諱言下了一番功夫。她除了特別重視大學的學術和畢業生就業能力排名,申請獎學金的機會,以及學生組合多元化與否,也是關鍵因素。科大畢業生的就業能力是大中華之冠,排名接近哈佛與哥倫比亞大學,而且實習及交流機會充足。身為IB國際文憑畢業生,Kamila 取得的獎學金足以全數支付學費及生活開銷。衡量種種有利因素後,她很快已立定主意,選擇這家力求創新的年輕大學。

然而,事情往往並非一帆風順。她回憶抵港後不久的情況:「初到香港,很掛念家人,也擔心家鄉的政局。幸好大學的學生輔導中心提供免費支援,對我幫助很大。」

開放的環境,想法近似的人,讓這個在阿拉木圖土生土長的女孩,得以完全融入香港和大學的生活。Kamila積極加入不同學生組織,其中一個就是 「視野無界」 (SIGHT)。她夥拍SIGHT的其他成員,針對現存問題一起構思實際解決方案,過程中提升小妮子的設計思維及其項目管理能力。

在科大修業期間,Kamila還獲得負笈加州大學柏克萊分校的寶貴機會,汲取知識之餘,也實地認識和感受美國文化。另外,她也在香港匯豐銀行總部的銀行增長及創新部門完成實習。一連串難得經歷,助她建立全球視野此一重要職業技能,有利日後的事業發展。

種種機會讓Kamila不斷進步,她亦很快成為科大的忠實支持者,身體力行參與組織和帶領代表團回到自己的家鄉,宣傳科大。 

攻讀經濟學的一年級生Zeynep AYDIN來自土耳其。在不少人眼中,她放棄入讀哈佛、賓夕凡尼亞大學、達特茅斯學院等長春籐名校而選擇科大,可謂「離經叛道」,但小妮子思慮周詳,早已立志進軍亞洲新興市場,因而決定忠於自己的意願,來港學習創業之道。

Zeynep泛起留學海外的想法,源自其對「模擬聯合國」(MUN) 學術活動的熱枕。學生可透過活動從中學習外交、國際關係,以及聯合國的運作模式。Zeynep早在中三時已加入學校的 「模擬聯合國」學會,並成立名為 "MUN College"的初創公司,把 MUN的活動方式轉化為課程內容,藉此培養初學者成為適應力強、能幹和創意洋溢的二十一世紀菁英。

Zeynep立志創業,當她挑選海外大學時,對自己能夠完全融入科大信心十足。來港時日雖短,但她已感覺在家,努力學業之餘,亦踴躍參與校園活動。她說:「適應這兒的校園生活輕而易舉,文化差異也沒帶來多少問題。科大生非常優秀,而且具有國際視野,不但能助我以全新角度探視世界,也讓我感受到濃濃的人情味。」 

仍屬新生的Zeynep,對打算入讀科大的非本地生有一些建議:「出國留學,除了要注意學業,還需要有獨立生活的心理準備,使自己成為自信堅強的人。」

Kamila 對非本地新生也有另一些建議:「盡量把握機會參與課外活動,與同學建立堅實的友誼,在萬里之外「另建新家」,並注意在學習與社交生活之間取得平衡。」

將於2020年畢業的 Kamila早已成竹在胸,準備進軍亞洲的健康護理或生物科技行業。主修生物科技及商業學的她信心滿滿,深信在科大學到的技能和知識,足以幫助自己在生物科技這新興領域脫穎而出,推出創新產品,改善我們的日常生活。

研究與創新 |
科大研究團隊揭示內波能助調節珊瑚礁的熱白化

由香港科技大學(科大)領導的一個國際研究團隊,近日證明了海洋內波(海裡的波浪)的冷卻功能可為珊瑚礁營造一個抗熱環境,或有助防止和更準確預測珊瑚白化。

世界各地的珊瑚礁正遭受由氣候變化和包括厄爾尼諾等極端氣候所引起的泛熱帶白化現象威脅,但是,白化模式很難預測,在較深的水域尤甚。現時,大部分白化預測都是基於由衛星收集得來的海水溫度數據作表面評估。雖然這些數據對了解大規模及偏遠地區的白化狀況很重要,但它們只反映了海洋表面的溫度以及相對大面積的溫度平均值。

科大海洋科學系助理教授Alex Wyatt,聯同來自東京大學、聖地牙哥加州大學斯克里普斯海洋研究所、美國地質調查局,以及佛羅里達理工學院的科學家組成研究團隊,就內波對太平洋西面、中部及東面珊瑚礁的溫度影響進行了定量分析。團隊花了數年時間,在日本、法屬波利尼西亞和巴拿馬不同海深的珊瑚礁位點量度溫度,並記錄了在2015年和2016年因厄爾尼諾現象發生的加熱事件。

該團隊透過自行研發的新型過濾方法,從溫度記錄中擷取內波訊號,以比較有內波及無內波海域的加熱情況。結果顯示,內波的出現有助減少該海區的酷熱情況,如在2015-2016年厄爾尼諾現象期間,內波的出現便將加熱程度減輕了88%;一些本可導致全數珊瑚死亡的嚴重加熱地區,因內波的出現而將加熱量降低了約36%至50%,有些地區甚至完全避免了加熱情況的發生。

研究還發現,天然內波的降溫能力會隨水深而上升。在水深8至10米的淺水處,內波將熱量減少了20%至41%;而在水深30至40米的較深水處,則減少了54%至88%,反映內波是一種能減輕珊瑚白化的重要過程。相反,在欠缺內波、或因氣候變化而令內波頻率和強度下降的地方,珊瑚礁的受熱威脅愈趨嚴重。

Wyatt教授指研究結果顯示,人類可透過創新方法保育當地的珊瑚礁﹕「透過主動管理方法,如人工引流至需要特別保護的珊瑚群落,能減少海洋加熱對它們的影響。但人工引流只能提供小範圍或短暫的保護,要長遠解決珊瑚礁的存活問題,解決氣候變化這根本原因實屬不可或缺。」

是次研究成果已於科學期刊《自然-地球科學》中發表。

 

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香港科技大學(www.ust.hk)是國際知名的研究型大學,其科學、工程、商業管理及人文社會科學領域,均臻達世界一流水平。科大校園國際化,提供全人教育及跨學科研究,培育具國際視野、創業精神及創新思維的優秀人才。科大的研究於香港的大學教育資助委員會「2014研究評審工作」獲得最多「世界領先」評級,亦於最新的《泰晤士高等教育全球年輕大學排名榜2019》中排行第一,而科大的畢業生在2019年度的全球大學就業能力調查排名第10位,位列大中華院校之首。

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STEM教育 |
Science Focus (Issue 016) x Cells at Work!

“1, 2, 3, 4! We are Cells at Work!”

 

Wanna know more about the adorable Platelet and other characters in the animation “Cells at Work!”? In this issue of Science Focus, not only do we bring you the basics of hematology, but also articles on various interesting scientific topics – from the chemical secrets behind lipsticks and sunscreen, to the bizarre Schrödinger’s cat and some game-changing technologies like the edible water pouch and touchscreen. 👩‍💻

 

Come and grab a copy at SCI/HOME or Mr & Mrs Ho Ting Sik Visitor Information Center (at HKUST campus), or find the e-book at:
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STEM教育 |
燃點學習物理熱誠

要在香港各級學校推廣STEM (科學、科技、工程、數學) 教育,殊非易事。考試至上的文化根深柢固,加上學習方法刻板乏味,導致這方面的教學人才、時間,以及輔助教學工具不足。

物理學系的蘇蔭強教授熱心支持STEM教育,但認為現行的教學模式乏善足陳。他鼓勵教育界跳出固有框架,善用現有科技和簡介最新研究突破,讓學生學習嶄新知識。他亦明白老師工作繁重,難有足夠時間緊貼日新月異的科學與科技新知,使他們在教授STEM科目時倍感困難。

他說:「大部分老師都忙得不可開交。即使政府已為STEM教育預留撥款,他們也提不起興趣鑽研。」 

蘇教授在其專業範疇努力作出貢獻,至今已就複雜物理體系發表逾160份獲引用的研究論文,但在其內心深處,始終念念不忘與身邊學生分享物理學的純真趣味,希望教導他們實踐所學,以行動改善生活。

因此,他研發了一個「實驗工具包」,當中的概念源於其無意中發現的新型反射電子衍射現象。事實上,研製工具包的念頭早於2015年萌生:蘇教授當時獲指派擔任2016年亞洲物理奧林匹克大賽一項實驗考試的出題員。由於題目必須與出題者的科研專長有關,蘇教授於是決定研發這個結合理論與生活實例的工具包,並將其發展成適合於中學和大學使用的STEM輔助教學工具。

工具包內有10件主要組件,包括使用激光二極管的照明機、一個可以旋轉的撥盤,以及一個能夠有效解說電子衍射和光學衍射現象的觀察板,組裝十分容易。學生可利用它動手進行有關測試光學對准技巧的實驗,並學習周期性與隨機性之間的關連。

他說:「工具包定價合理,對需要教授STEM科目,但難以找到教材的老師很有幫助。」

蘇教授亦在科大物理學系的「小型講座」外展活動中,增添了介紹工具包的環節。這些小型講座由經過訓練的本科生負責向本地中學生講解和示範,旨在激發少年人對物理學的興趣。蘇教授亦正計劃加入香港教育城,向物理老師作推廣。

工具包不但在中學大受歡迎,連澳門大學、中國科學技術大學、南方科技大學、暨南大學等學府亦研究如何將教導於一年級新生。蘇教授於是因應中學生及大學生各自的學習需要,為工具包研發兩個不同程度的版本。

在澳門,有些老師甚至在工具包的基礎上研發遊戲:學生須根據手冊中的定量實驗爭先找出答案,以開啟電子門鎖,使學習過程更富趣味,亦使學生更投入學習。

蘇教授強調STEM 離不開科技和實驗,課堂上的實踐十分重要。他明白單憑一己之力,不足以形成新的學習和授課文化,但仍希望為高等教育界樹立榜樣,鼓勵學者應用最新科研知識創製STEM 教學工具。他深信這有助將實踐為本、配合生活需要的教學方法帶入課室。

研究與創新 |
科大研究團隊揭示新病毒特徵 或有助對抗全球暖化和研製抗病毒藥物

全球暖化以及溫室氣體排放讓海洋中的含氧量在過去數十年間持續下降1,污染並破壞我們的生態系統。為了遏止這個趨勢,香港科技大學(科大)的研究團隊發現一種機制,有望提升一種環保水生細菌清除二氧化碳的能力,為海洋生產更多氧氣。

儼如陸地上的樹木,藍綠藻(又名藍細菌)於海洋進行光合作用,為海洋生物提供氧氧,地球逾20%的二氧化碳都是經由它們所吸取。可是,全球每天有近半的藍綠藻,因被捕食或受病毒感染而死亡,當中單是一種名為噬藻體的病毒,每日便殺死達全球總量五分之一的藍綠藻。

科大海洋科學系副教授曾慶璐領導的研究團隊歷時五年,最近終於揭示噬藻體殺死這環保細菌,亦即其宿主(host)的規律,所倚賴的是宿主進行光合作用時所產生的能量。團隊利用實驗室培植的噬藻體進行研究,發現牠們於黑暗環境中,並不能完全發揮感染宿主的功能,但藍綠藻卻偏偏在晚上被牠們殺死。原來在日照時份,藍綠藻透過光合作用所生產的能量,會成為噬藻體用作感染其宿主的燃料-令噬藻體在日間完成所有足以破壞藍綠藻細胞結構的感染過程,使其終在晚上分崩離析。很多生物,包括日出而作、日入而息的人類,都具有晝夜節律,但今次研究首次發現,原來病毒亦具有晝夜節律。 

曾教授表示:「透過了解日夜循環如何控制噬菌藻的感染過程,不但能幫助降低藍綠藻被感染的風險,由此增加其吸收二氧化碳的能力,減輕全球暖化;亦有助日後研究對抗病毒的藥物。很多人類疾病都是由病毒引致,現在我們知道病毒感染會受生理節律和晝夜循環影響,這可能為研發相關藥物對抗人類病毒提供新見解。」

是次研究成果已於科學期刊《美國國家科學院院刊》中發表。

1根據一份於2017年刊登在《自然》的科學研究文章,海洋在過去50年已減少逾2%氧氣,此步伐將在接下來的80年加快至最多7%,對漁業和沿海經濟造成潛在損害。

大學公告 |
HKUST School of Science - Campus and Lab Visit Programme and Student Interest Form

Campus and Lab Visit Programme

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Student Interest Form

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研究與創新 |
科大以嶄新合成生物學方法 破解大腸桿菌素致癌的機制 有助研究預防大腸癌方法

香港科技大學(科大)一個跨學科研究團隊發現,人體腸道中大腸桿菌所釋出的一種毒素,與大腸癌有關。研究不但為大腸桿菌對人類健康的影響帶來新見解,更有助推動預防全球第三常見癌症「大腸癌」 的研究*。

人體腸道中的大腸桿菌雖然可以幫助我們消化食物及調節免疫系統,但它們亦含有毒性,可以導致細胞周期停滯(arrest cell cycle)甚至死亡。科學家早已發現大腸桿菌所產生的大腸桿菌素(Colibactin)是一種基因毒性(genotoxin)化合物,可以破壞真核細胞中脱氧核醣核酸(DNA)的雙螺旋結構(double-strand breaks),增加患上大腸癌的風險。不過,由於這種化合物濃度低、狀態不穩定及生物合成反應路徑(biosynthetic pathway)過於複雜,難以複製作研究用途,所以它到底如何導致DNA受損,至今仍是一個謎。

由科大捷成 David von Hansemann 理學教授、海洋科學系及生命科學部講座教授錢培元帶領的研究團隊,利用嶄新的生物合成方式,解開這個謎團。團隊不僅成功複製大腸桿菌素基因簇,更發現可以大量培植相關基因的方法,以進行測試及驗證。經過反覆分析及化驗多種大腸桿菌素前體化合物(Colibactin precursors),團隊最終確定「大腸桿菌素-645」是引致DNA雙螺旋結構受損的元兇,並發現其生物合成反應路徑和損害DNA雙螺旋結構的機制。

錢教授表示﹕「雖然部分大腸桿菌素會透過交叉連接的方式損害DNA,但一直以來未有資料顯示它們會直接破壞DNA。我們的研究確認了大腸桿菌素-645會直接破壞DNA的雙螺旋結構,進一步解釋大腸桿菌素對健康的影響,補上長久以來缺失的一塊拼圖。」

硏究團隊中的李忠瑞指,重組大腸桿菌素的分子骨架,可以為設計及合成有效的DNA分解試劑(DNA cleaving agent),例如合成限制性内切酶或癌症化療藥物提供基礎。

是次研究由科大、加州大學柏克萊分校及加州大學聖迭戈分校斯克里普斯海洋學研究所合作進行,研究結果已於國際權威科學期刊《自然 — 化學》中發表。此外,研究團隊早期就大腸桿菌素的研究成果也發表於國際權威科學期刊《自然 — 化學生物學》。

*根據世界癌症研究基金會2018年的統計數據: https://www.wcrf.org/dietandcancer/cancer-trends/colorectal-cancer-statistics

 

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研究與創新 |
科大研究團隊研發全球首個全光學多層神經網絡 有助研發新一代人工智能硬件

香港科技大學(科大)的科研人員成功研發全球首個可用作深度機器學習(machine learning)的全光學神經網絡,不但能讓人工智慧在處理較複雜的問題上﹕例如辨識事物之間的關係或風險評估等範疇,進一步追近人類,更可在能耗大幅度降低的情況下,以光速進行運算。

一直以來,光學網絡操作僅限於線性*運算,但只靠線性運算並不能讓神經網絡模擬人類大腦運作而達至「深度學習」(Deep Learning)。人工智慧要掌握深度學習,需具有「非線性啟動函數」(non-linear activation functions) 的多層神經網絡。然而,在現存的光電混合神經網絡中,模擬人類大腦回應方式的「非線性啟動函數」乃透過電來實現,這限制了光學網絡的運算速度及能力。現在,由科大物理學系教授杜勝望及助理教授劉軍偉所帶領的研究團隊,實現了首個全光學多層神經網絡,為構建大規模的光學神經網絡推進一步。

為突破限制,研究團隊利用冷原子介質內只需極低鐳射功率便能運作的「電磁波引發透明效應」(electromagnetically induced transparency, EIT),來實現非線性啟用函式,並製作了一個雙層全光學的神經網絡。為測試成效,團隊利用這個網絡,對凝聚態物理學易辛模型(Ising model)中的有序相和無序相進行分類,發現與高性能電腦神經網絡運算的結果一樣準確。

杜教授表示﹕「雖然我們現在的成果只是一個概念驗證(proof-of-principle)的測試,但它表明新一代的光學人工智慧—即在低能耗的情況下進行快速運算,是有可能的。」

劉教授補充謂:「未來,我們希望擴大此技術的規模,構建一個更大型、更複雜的全光學神經網絡,以作圖像識別等實際應用。」

研究結果近日刊登於權威期刊《Optica》,並獲美國光學學會撰寫新聞稿介紹。

*即算術中的加減法及乘法

 

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STEM教育 |
讓 STEM教育走出桎梏的生物學

數理科技(STEM)是近年香港教育界的流行語,不少學校增撥資源添置科技配件,但在生命科學部的周敬流教授眼中,卻有偏離本質之虞。香港以填鴨式教育聞名,學生缺少通過整合不同學科知識解決問題的訓練,然而,這種能力卻是STEM教育的要素之一。主次失焦,不僅會令科學教育走進死胡同,也難以培育香港需要的發明家或科學家。

周教授說:「STEM 的真諦,在於讓學生學習探索事情的方法、態度、原則和應用規則。可惜在香港不少高中和大學,學生學習的只是資訊,忽視了背後的邏輯和分析。」

要從課本或互聯網取得資訊,可說輕而易舉,但周教授建議同學專注於探索事情的態度和方法。「舉例說,認識大自然並沒有固定的方法。教育制度應讓學生有多些機會走出課室,觀察他們感興趣的事物,而不是只訓練他們應付一式一樣的公開考試。」

周教授說自己少時極為好奇,因此選擇在大學修讀生物學;而負笈美國德州貝勒醫學院攻讀細胞生物學博士學位,則與家族裡多人患癌有關。加入科大前,他是美國紐約愛因斯坦醫學院的分子遺傳學Belfer院士。 

周教授鑽研身體形態的分子遺傳學、神經發展,以及合成和演化生物學。不論在大學校園或日常生活的各個層面,他都在努力培育新一代以科學解決問題,迎接二十一世紀的種種挑戰。

身為在香港致力提倡STEM教育的先驅,他著重訓練學生培養分析和解讀數據 、進而自行歸結原則的能力。訓練越早,效果越佳。為了達致兩大目標,他將國際生物奧林匹克(IBO)高中生國際比賽引入香港,一則希望為公眾學習生物學提供廣闊平台,但更重要的是 — 藉此改變本地學校對這門科學的看法和授課方法。

IBO香港區賽事於2018年首辦。在前一年,籌委會特別舉辦香港聯校生物奧林匹克比賽作為熱身。周教授說:「學生從中找到很多樂趣,非常興奮。這種學習生物學的模式,是他們從沒想過的!」 

傳統教育制度下,生物學不外乎背誦和關鍵字,做好這兩點,就可以拿取高分。事實證明,IBO香港區賽事改變了一貫的遊戲規則,因為它開拓了學生的視野,讓他們體驗不同的學習方法。

在589名香港IBO參賽者中,80人獲選接受三階段中第一階段的訓練,出席合共24小時的課堂。大會接著選拔 15名學生晉身第二階段的實驗課,在全長29小時的訓練裡,除了修讀分子生物學和環境生物學,亦須進行野外考察。第三階段是全長36小時的科研討論,只餘6人可以晉級,當中表現最好的4名學生,就是參與匈牙利國際生物奧林匹克大賽的首批香港代表。

在國際生物奧林匹克大賽競逐的國家及地區有73個,參賽者多達285人,競爭之烈,可想而知;但4位香港代表不負眾望,最終贏得一金、兩銀、一銅而歸。

贏得獎牌固然興奮,但參賽同學眼中的最大收穫,是在解決難題的過程中,學懂怎樣應用分析技巧和創意的實戰經驗。 

對周教授來說,成功舉辦IBO只是起點,要革新傳統學校教授生物學等理科學科的模式,仍是漫漫長路。他說:「要推行真正的 STEM教育,我們必須給學生多點彈性,尤以考試為甚。學習的精髓不在於背誦課本和關鍵字,而在於活用日新月異的科學知識。」

研究與創新 |
香港科技大學科研團隊用超冷原子解密三維拓撲材料

複雜的拓撲材料,尤其是具有不同內部和表面性質的材料,使得量子計算免於噪聲干擾而更加健壯,近年來成為工業和學術界研究焦點。目前的量子計算機仍然脆弱,提高量子信息抗噪性是重要的研究方向。在噪聲下保持功能容錯量子計算的需求,促使了對於複雜拓撲材料的探索。

香港科技大學物理系的曹圭鵬教授與北京大學物理系的劉雄軍教授合作首次實現三維拓撲材料。此材料由超冷原子構成,製備在接近絕對零度的億分之三度。它為研究新型拓撲材料,甚至那些固體中無法製備的材料提供了途徑。這些利用超冷原子實現的新型人工合成材料使得物理學家可以去研究非凡的物質態,進而研發新型量子器件。

材料的拓撲屬性意味著材料在實際系統中可以含有一定缺陷,這也為探索材料的新奇特性提供了可能。拓撲材料研究局限於低維,因為超冷原子難以實現三維拓撲材料。三維材料的實現全面開啟拓撲材料在超冷原子中的研究,包括絕緣態,半金屬和超流在內的高維的非凡拓撲態。

在物理學家構造的人工合成晶格結構中,超冷原子的行為如同在固體中電子。實驗中,研究員們將原子的自旋與原子的運動關聯起來,形成合成拓撲材料,並且通過新的觀測手段觀測其能譜。這個合成量子材料就是三維自選軌道耦合的結點線半金屬。

這項研究最近於2019年7月29號在自然物理雜誌發表 (DOI:10.1038/s41567-019-0564-y)。

“我們的研究為研發自然界不存在的新奇的拓撲材料提供了可能”,曹教授指出,“此進展也為複雜的三維拓撲材料研究和模擬提供了平台。”

這項研究是Science Advances 4, eaao4748 (2018) 的後續工作。