圖｜研之有物
在中研院舉辦的重要科普演講活動或記者會中，常見到一位謙和女性的身影，她就是周美吟副院長，也是中研院院士。言談中她總是以一貫溫和平穩的語調與態度，嘴角掛著淺淺的微笑，出現在大家眼前。她處事低調，但是學術成就驚人，發表將近 200 篇學術論文，在 Google Scholar 總引用次數高達 19,000 次以上。
即使當上了中研院副院長，她的研究依然持續進行，不曾中斷。因為研究物理，是她最大的興趣，也是熱情所在。接下來，我們就從她的研究主題開始，一步步認識這位既特別又充滿學術魅力的物理學家吧！
從基礎物理出發，探究材料的祕密
周美吟的研究專長是計算材料學，就是把複雜的材料性質「算出來」。我們如果想知道材料有什麼特性，最直接的方法當然就是「實際測量」，但是隨著電腦的計算能力變得愈來愈強大，計算模擬的方法也加入材料研究的戰場，讓材料物理有了巨大的改變，或者說，變得更寬廣了。
這套計算模擬的理論方法稱為「第一原理計算方法」（first-principles calculations, 又稱 ab initio methods），ab initio 是拉丁語「從頭開始」的意思，也就是從最基本的量子力學定律開始計算，不需要依賴實驗數據，只要知道元素的原子序（atomic number），就可以直接解出電子波函數和電子結構，進而預測材料的物理性質，例如材料是金屬還是半導體？或是電子能帶有多寬等等。
以基礎建構複雜，用微觀預測巨觀，就如同樂高積木遊戲一樣，想像你手上有一大堆小塊的積木（原子序、電子數、質子數等基本資訊），但是你不知道這些積木最後會拼成什麼東西（材料晶格結構、材料特性），只好依照最基本的說明書指令（量子力學），慢慢地一塊一塊拼起來。當積木越來越多時，拼接難度（計算難度）也會越來越高。
圖｜研之有物（資料來源｜周美吟）
周美吟進一步解釋：「其實材料的物理性質，就是從電子的交互作用而來的。我們了解量子力學，也了解電子間的交互作用，希望從這些基礎物理來算出材料數值。」
不過，因為材料內部的電子數目實在太多了，在對任何一個系統做計算時，就算用目前最強大的超級電腦來算，可能也要算上好幾千年才能得到精確的結果。因此，在發展第一原理計算方法時，需要做很多的近似推演，這個過程考驗著研究者的功力。
因為近似推演的過程中，必須犧牲或刻意忽略某些細節，這勢必會造成計算結果有微小的不準確。該忽略哪些細節？如何忽略才可以省下大量的電腦計算能力？同時又能盡量降低造成的不準確？
計算方法的取捨很關鍵，「必須基於你對物理原理的了解程度，這不能隨便做。」周美吟說。
周美吟舉例，鋁元素（Al）在週期表上的原子序 13，有 13 個電子。過往的化學實驗已經充分探索鋁元素，例如鋁原子會如何排列，以便讓自己處於能量最低的狀態，或是它的金屬特性、導電率等。
然而，假設我們對鋁元素一無所知，只知道世界上有一種有 13 個電子的元素，原子核包含 13 個質子與 14 個中子，透過第一原理計算方法，我們可以算出它的各種性質，而且與鋁元素已知的實驗結果相符。
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即使我們在一個沒有鋁元素的世界，也可以透過第一原理計算方法，得出這樣的結果：「如果有 13 個電子和質子組成的元素（鋁）存在，它會是一個銀白色的金屬！」
第一原理計算方法這套好用的工具，主要有兩種使用方式。第一，當有實驗發現某材料的新特性時，可以透過這種計算方法，找出新特性的發生原因。第二，可以透過這種計算方法，預測某種還沒有製作出來的材料，會有什麼樣的特性。
材料科學發展至今，領域早已不侷限於地球上自然擁有的材料，更多的時候，材料科學家都在想方設法，以人造的方式製作出想要的材料，例如更完美的半導體材料，或是超導體等。這時候第一原理計算方法就能幫上大忙！我們可以先計算材料會有什麼特性，模擬出符合所需特性的材料後，再由實驗室製造出來。
因此周美吟說道：
在第一原理計算的領域，理論模擬與實驗的合作是非常密切的。
當然，算得準還要更準才行，第一原理計算方法本身也需要不斷地精進，所以幾十年來，也有許多研究人員著力於修改、精進這個計算方法。不同領域對於材料的性質或應用需求不同，例如有人想找最好的超導材料、有人想發展熱電材料，或是現在很熱門的太陽能電池這類能源材料。
因此，針對第一原理計算方法，研究人員也會依據需求，從不同的角度去精進，產生了針對各種目的而設計的個別最佳化版本，例如專門研究光學性質、傳輸性質的版本等等。「第一原理這個領域其實還滿大的。」周美吟笑著說。
周美吟進一步補充，開發一套計算方法，最重要的是了解裡面的原理是什麼，因為這樣當你在調整修改時，才會對你算出來的東西有信心。「你會清楚知道這個計算方法準在哪裡、不準在哪裡，為什麼可以解釋這個性質、而不能解釋那個性質。」周美吟說：「要完全知道你的計算適用範圍和準確度，以及哪些是近似的結果。」
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平面的比較好？二維材料新時代
2000 年代，石墨烯開始帶起研究二維材料的熱潮，周美吟研究的第一原理應用廣泛，也為石墨烯等二維材料的研究帶來許多貢獻，自 2008 年開始周美吟就發表一系列石墨烯相關的理論研究論文。
石墨烯是由碳原子組成的單層結構，碳原子和碳原子之間組成六角形的蜂巢形狀，有很好的導電和導熱特性。不過對半導體領域來說，石墨烯沒有自然存在的能隙（energy gap），如果只有一層石墨烯時，電路一導通就是全導通，無法額外用小電壓控制它，所以石墨烯無法直接應用在半導體上，必須要人為製造出能隙才行。
在全世界科學家紛紛探索石墨烯的過程中，2018 年麻省理工學院研究團隊的曹原，試著將兩片石墨烯平行堆疊起來，並旋轉不同角度，結果意外在 1.1 度的扭轉角，發現這種特殊的雙層石墨烯具有非常規的超導現象，目前的超導理論都無法解釋。不只如此，1.1 度扭角的雙層石墨烯在能帶半填滿狀態，會是絕緣體，有很大的能隙。
2018 年麻省理工研究團隊發現 1.1 度扭角的雙層石墨烯在個別條件下具有絕緣體與超導體的特性。
圖｜研之有物（資料來源｜MIT）
扭角雙層石墨烯（Twisted bilayer graphene）的研究主題，其實科學家已經探討多年，周美吟也在 2008 年開始發表相關論文，談到近年發現的超導特性時，她也認為這是很奇特的現象，「石墨烯的碳原子混成軌域是sp2，這種元素一般來說相對單純，沒有什麼複雜的性質。」她說：「要用理論解釋它為何轉個角度相疊，就會有超導現象，是一個很大的挑戰。」
除了石墨烯之外，周美吟的研究更擴及其他有潛力的新型二維材料，例如二硫化鉬（MoS2）／二硫化鎢（WS2）等異質材料，這些二維材料在半導體應用上具有發展潛力，未來有機會取代現有的電子通道材料。
周美吟說：「我們一直在做的就是累積材料的資料庫（data base），從最基本的物理出發，去發現一些有趣的現象，這些現象將來有沒有應用價值？就看未來的發展了。將來不同的產業、不同方向的人有需要時，或許會找到 10 年前的某個東西，對他來說是有用的。」
從上述來看，我們可以知道第一原理計算是材料理論研究的重要領域，那麼，這個領域會不會很競爭呢？周美吟回答：「第一原理計算的應用非常廣泛。當某個系列的材料組合出現時，可能很多人都會想進來研究，那就是互相競爭，看看你是不是可以先想到要怎麼做。但你不一定要一直待在這個材料議題上，一旦被研究得差不多了，你可以找別的題目做，因為你的工具（第一原理計算方法）還在，而新的性質與新的材料總是會不斷出現。」
「只要第一原理計算方法還在，總是會找到可以研究的新材料。」
與此同時，人工智慧也正在逐步整合進入第一原理計算的研究領域。周美吟提到，AI 的加入可以輔助研究人員去做近似，以前只能靠人腦來證明、推導和估算誤差。不過，AI 也需要很多資料去訓練。周美吟認為，目前不是每個題目都有那麼多資料，所以現在只有一部分研究人員在使用 AI，還不是全面性的應用。
訪談中，只要談起自身的研究，就可見到周美吟的喜悅之情溢於言表。周美吟從高中接觸物理之後，便將物理定為自己的志向。從臺灣大學物理系畢業後，前往美國加州大學柏克萊分校繼續深造，並於取得博士學位後，在喬治亞理工學院任教 20 餘年。2011 年，周美吟決定回到臺灣，擔任中研院原子與分子科學研究所特聘研究員兼所長，2016 年起，更擔負起中研院副院長的重責。
儘管時代與身分不斷變化，周美吟始終對物理保持熱情。以下是周美吟和「研之有物」團隊分享這一路走來，所獲得的心得與體會。
圖｜研之有物
您一開始為何會想研究材料物理？
因為科技愈來愈先進，例如我們手機上所有的元件、每一個步驟，從記憶體到裡面的電路、處理器等，全部都是材料物理。研究材料物理對人類的影響是很直接的。人類從石器、青銅器時代，到現在鐵器、矽的時代，材料一直不斷在演進。我們找出的材料性質愈多，將來愈有可能製造出理想的材料。
當您在研究中看到意外的結果時，心情是開心的嗎？
是的，因為你在研究的過程，總是會出現很多 surprise、很多預期之外的東西，這會讓你覺得大自然真的是非常奇妙。然後，我們就得開始面對它帶來的巨大謎團，全世界許多最聰明的人就會開始想「為什麼會這樣？」
物理最吸引你的地方是什麼？
我高中剛開始學物理時，就發現物理的結構非常完美。同樣的物理原理，可以在很多不同狀況下展示出來，換句話說，一個原理可以應用在非常多地方。這個世界萬物好像就由幾條式子在主導。這在其他學科中是看不到的，也是我覺得物理最神奇的地方。
物理研究領域總是一直不斷有未知的東西跑出來。有時候當你以為某個領域好像已經發展到一個階段、知道得差不多了，突然就會有一個新發現，又把它帶到新的方向去了，這種事情總是不斷發生。
對我來說，如果我一直重複做一種研究，我會覺得無聊，我會嘗試去找新的、有趣的、還沒有被解釋的東西來解決，而物理就是一個充滿這麼多未知的有趣世界。
您如何決定踏上物理研究之路？在做這個決定時，曾經猶豫嗎？
前面提到，我在高中學物理時，就發現了自己的能力與天分，物理是適合我的。但因為外公是醫生，而且舊時的思維就是希望成績好的小孩去讀醫學院，所以我也考慮過要不要念醫學。
念醫學符合社會期待，而且可以救人，也是一個很好的行業，可是我覺得我在醫學領域找到的樂趣比較少，數理領域比較有趣，所以我最後還是選擇了物理。
您的家人支持您選擇的物理研究之路嗎？
我媽媽雖然一手把我帶大，但她並不會干涉我太多，一直以來她都讓我自由地決定自己的事情。可能也因為我比較獨立，當我提出要念物理時，她也沒有反對。
早年家裡生活稱不上奢華，維持在基本溫飽的狀態，沒有什麼玩具或出去玩的機會，但在家人支持之下，我穩定地受教育，那時候的國民教育是固定的教科書，我就是跟著這些基本教育在學習。我覺得我們的教育系統其實不錯，一路學習下來，我該學的都有學到。
2011 年，您決定回臺灣擔任中研院原子與分子科學研究所所長，這是您人生的一大轉折。為何您會決定回臺灣？
我想正好有很多因素湊在一起吧！前一兩年，我就因為私事或開會，常常飛回臺灣，加上媽媽身體不好，小孩也大了。那時我擔任喬治亞理工學院物理系系主任也五年了，該做的事都做得差不多了，正好臺灣中研院這邊在徵原分所所長，我和原分所的幾個老師也滿熟的，於是我就覺得，這是一個轉變的時機。
從原分所所長到副院長，擔任這些學術行政職位的工作，與單純研究有什麼不同？
例如所長要處理很多關於「人」的問題，這是完全不同的挑戰，尤其我們做的是學術行政，面對的都是有學術成就的人。所長必須建立制度，讓所內每個人都能最大程度地發揮能力。
對學術單位的主管而言，成功指的不是自己研究的成功，而是研究人員的成長。
在這個過程中，你也會看到很多時候，研究人員裡最成功的人，不一定是最聰明的人，因為你做研究一定會碰到困難，你要應付很多其他的事情，例如帶學生、管理團隊，或是拓廣視野、選擇對的研究題目等。每個人能否順利成長，有很多其他的因素影響，而學術行政職也要負責居中協調，鼓勵合作，讓大家都能夠走對的方向。
當您帶領學生做研究時，是否覺得現在的學生與過往相比，有什麼不同的特質？
現在的學生能夠獲得資訊的管道，比我們當年多很多。以前我們要去圖書館東翻西找，拿去影印機印，現在只要上網查一查，什麼東西都出來了。所以現在的學生發展得比較快，也比較靈活。
我在物理系看到很多學生對物理很有興趣，願意走這條路，我覺得這是好事，因為總要有人接棒這些研究。不過我想最重要的，還是要找到適合自己的方向、自己有興趣的東西，要知道自己的強項在哪裡，做符合強項的事，這樣才能做得比別人更好。
