香港大學地球與行星科學系與加州大學洛杉磯分校（University of California, Los Angeles, UCLA）大氣與海洋科學系共同領導的一項最新研究，成功解開了關於極光形成機制的關鍵謎題。研究團隊發現，為地球極光區的「太空電池」提供能量、進而產生絢麗極光的幕後推手，正是沿磁力線傳播的「阿爾文波」（Alfvén Waves）。這項突破性發現已發表於國際學術期刊《自然・通訊》（Nature Communications）。
地球與木星極光加速過程的比較示意圖。以上顯示了地球及木星的電子能譜數據（分別來自DMSP F19 衛星及朱諾號 Juno 探測器）。地球與木星的電子能譜均呈現相似的「倒 V 型」結構，顯示極光上方存在穩定電位降，反映一套跨行星通用的加速機制，並說明行星極光研究如何有助理解地球的高分辨率觀測數據。圖片來源：香港大學-田盛／堯中華。
破解「太空電池」的充電機制
當帶電粒子受電場加速並撞擊地球大氣層時，便會形成閃爍的極光弧。儘管科學界早已掌握這一基本物理過程，但究竟是甚麼能量源在維持這些電場（即所謂的「太空電池」）、使其不致消散，長久以來一直是個未解之謎。
該研究指出，阿爾文波是一種沿地球磁力線傳播的等離子體波，扮演了「天然加速器」的角色。通過分析帶電粒子在不同空間區域中的運動和能量獲取方式，研究團隊證實，阿爾文波能持續向極光加速區輸送能量，從而維持極光上方電位降（Electric Potential Drops）的穩定，驅使帶電粒子向下衝入大氣層，最終點亮夜空。
為了驗證這一理論，研究團隊分析了來自多個環繞地球運行的衛星觀測數據，包括美國太空總署（NASA）的范艾倫探測器（Van Allen Probes）和THEMIS任務。這些數據證實阿爾文波正是維持這些電場存在的關鍵能量來源。
極光。《愛情怎麼翻譯》劇照/Netflix圖片
跨越行星科學的通用模型
港大地球與行星科學系堯中華教授表示：「這項發現不僅為地球極光的物理機制提供了明確解答，亦建立了一個通用的物理模型，可應用於太陽系內其他行星，乃至更遙遠的星系。」
堯教授在港大領導一支專注於太空及行星科學的團隊，在行星極光研究領域享有盛譽，尤以木星和土星磁層動力學見長，為本研究提供了關鍵的行星科學視角。
堯教授補充道：「港大團隊長期研究巨行星的極光過程，並成功將相關理論與經驗應用於地球附近的高分辨率數據，從而建立了地球科學與行星探索之間的橋樑。」
跨學科合作的典範
這項研究展現了跨學科國際合作的力量。由田盛博士（Dr Sheng TIAN）領導的UCLA團隊，負責地球極光相關的物理分析和衛星觀測數據解讀，而港大團隊則提供行星空間物理的理論框架與比較視覺。雙方團隊攜手合作，最終揭示了「太空電池」的供能機制。
香港大學工程學院研究團隊近日取得一項重要科研突破。他們成功透過機械拉伸技術，令氮化鎵材料的發光顏色實現從「紫外光到藍光」的動態調控。這項技術為未來的先進功率電晶體、光電元件、射頻元件以及微型發光二極管顯示器，提供了全新的半導體材料調控方案。
圖示氮化鎵塊體微加工製成單晶微橋。左上為加工前塊體材料；右上為微橋樣品；下圖呈現拉伸測試過程，顯示樣本斷裂前可達6.8%超大彈性應變。港大圖片
實現高達6.8%彈性形變
研究由機械工程系陸洋教授領導，團隊利用微納加工技術，將單晶氮化鎵材料製成微小的橋狀結構。透過精密機械拉伸，使材料產生高達6.8%的彈性形變，其抗拉強度達到約11 GPa。這展現了尺寸效應帶來的非凡彈性變形能力，為深度應變工程開拓了新的發展空間。
圖示氮化鎵塊體微加工製成單晶微橋。左上為加工前塊體材料；右上為微橋樣品；下圖呈現拉伸測試過程，顯示樣本斷裂前可達6.8%超大彈性應變。港大圖片
發光波長從紫外偏移至可見光
這種物理拉伸不僅沒有損壞材料，反而成功將氮化鎵的發光顏色從原本不可見的紫外光，逐步轉變為肉眼可見的藍色光。在原位力學拉伸結合陰極射線發光系統的實驗中，研究人員實時監測應變過程中的光學特性變化。當拉伸程度達到3.9%時，發光顏色已實現明顯轉變，氮化鎵的帶隙從3.41 eV連續紅移至3.08 eV，發光波長相應從紫外光區進入可見光區。在最大應變條件下，帶隙可進一步降至2.96 eV，波長從約365 nm偏移至420 nm。
應變固定氮化鎵微機械器件應用展示。右上CL光譜測試顯示，當器件鎖定於約3%拉伸應變時，發光帶隙由3.42 eV顯著紅移至3.34 eV。港大圖片
具可逆性與「鎖定」結構設計
氮化鎵是2014年諾貝爾物理學獎藍光LED的核心材料，過去科學家需要透過添加不同化學元素來調節發光顏色。而這次港大的研究展示了一種純物理的調控方法，其獨特之處在於「可逆性」——當撤去拉伸力時，材料會恢復原狀，發光顏色也隨之回到原本的紫外光。這種發光特性隨應變狀態完全可逆的動態調控方式，有別於傳統需要改變材料化學成分的方法。
研究團隊還設計了一種微型機械結構，能夠將拉伸狀態「鎖定」。透過鎖定約3%的拉伸應變，該元件成功實現了發光波長從363nm到371nm的穩定紅移，在不需要持續外力的情況下保持此應變發光狀態，這項設計讓技術更具實際應用價值。未來，這項技術有望應用於微型顯示器、智能照明，甚至生物感測等領域。
這項研究成果已發表於國際頂級物理學期刊《物理評論X》，文章標題為「Deep Elastic Strain Engineering of Free-Standing GaN Microbridge」。
- 核心技術：透過機械拉伸實現氮化鎵材料發光顏色從紫外光到藍光的動態調控。
- 關鍵數據：拉伸產生高達6.8%的彈性形變；抗拉強度約11 GPa；帶隙可從3.41 eV降至2.96 eV。
- 技術特點：調控過程完全可逆；設計了可「鎖定」拉伸狀態的微型機械結構。
- 應用前景：為先進功率電晶體、光電元件、微型LED顯示器、智能照明及生物感測等領域提供新方案。
