首創「磁電子學」概念，物理新發現的喜樂是最強的動力！——郭瑞年專訪

• ​​​​2015 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第八屆傑出獎得主

郭瑞年現任教於清華大學物理系，她被譽為台灣凝態物理權威，也是台灣半導體材料研發先驅者，致力於創新高介電值介電材料，成功研發取代傳統矽基半導體的電子技術。她自台大物理學系畢業後，赴史丹佛應用物理系攻讀碩博士，之後便在舉世聞名的貝爾實驗室從事研究長達 22 年，直到 2003 年回台任教。

「我準備了一份 PowerPoint 簡報，來讓你們好好認識物理。」還沒開始採訪，就已經感受到郭瑞年對物理如夏日豔陽般的熱情。在這一頁一頁的簡報與一來一往對談之中，以她四十年的科研歷程與物理學知識為經緯，交織出了這位科學家一路走來求知求真的精彩旅程。

郭瑞年對於物理的熱情溢於言表，也感染了周遭的人。圖／劉志恒攝影

見證新發現，是持續研究的最大動力

長年遊走在擬態科學的奇妙世界，由低溫超導體開啟旅程，郭瑞年的研究題材涵括了磁性超晶格、高溫超導體、透明導體、奈米電子學、自旋電子學與拓樸絕緣體。她在 1981 年畢業後，進入了科學研究的重要殿堂——貝爾實驗室，在此展開了「磁性超晶格」的相關研究，成為了「磁電子學」的開創者，此概念為 2007 年諾貝爾物理獎「巨磁阻現象」發現的重要基礎。

若能將材料縮到奈米尺度，磁性是不是會出現改變？而如果人為可控制磁性的奈米材料，對科學界來說會是很重大的突破——從與同事聊天中得到的靈感。郭瑞年於 1983 年正式啟動相關研究：將磁性材料與非磁性材料像千層派那樣相互堆疊，每一層的厚度控制在原子層級，並對這樣磁性與非磁性堆疊而成的「磁性超晶格」進行實驗和觀察。頭兩年的研究並沒有很順利，測量出來的結果有些難以用既有的物理規則解釋。

為了釐清這「違反常理」的結果中間有何玄妙之處，郭瑞年聯絡另一位物理學家，進行中子散射實驗和分析，發現「透過非磁性材料層產生長距離磁耦合，由此改變磁性材料層的磁性方向」一個嶄新物理的機制，而這現象會受溫度影響：在室溫下的耦合力相對弱，在低溫下則會變強。 這物理機制便奠定了後來 1988 年法德兩位科學家 Fert and Grunberg 所發發現的巨磁阻效應（Giant Magnetoresistance; GMR）的重要基礎。

很多人形容郭瑞年與諾貝爾獎擦身而過，不免讓我們好奇她是否感到遺憾？郭瑞年揮揮手笑著說這個問題很多人問過。她表示雖然多少有遺憾，但發現一個超乎想像的嶄新物理現象時，「那種興奮感跟喜樂，是只有親自從事實驗的人才能體會出來，那是非常非常寶貴的，終生難忘！」而那才是真正帶動物理學家持續探索前進的動力。

郭瑞年認為，物理發現帶來的興奮與喜樂是令人難忘的動力。圖／劉志恒攝影

除了磁性超晶格，「前瞻」亦為郭瑞年其他研究的共同特色。1986 年年底，震驚世界的高溫超導體被發現，郭瑞年隨即展開相關的研究，成功製造了單晶高溫超導薄膜，進行尖端超導特性研究。

1993 年團隊開始進行奈米電子學的研究，最重要的主題即是尋找可以取代矽晶，讓積體電路體積進一步縮小，並減少耗能的材料。在這個主題上，砷化鎵的電子遷移率較矽高上很多倍，有機會成為適合的替代品。但是相較於矽，這類由元素週期表上的三族與五族組成的三五半導體的氧化物表面容易有缺陷，很難發展成電晶體。郭瑞年自稱幸運，和她的先生洪銘輝博士合作，成功發現了適合的鎵釓氧化混合物，可做為砷化鎵的表面絕緣氧化層，並首次製成了三五半導體之場電效應電晶體。目前市場上已出現這類「第二代」半導體應用，特別是目前在 5G 通訊上急需發展的超快科技，可取代目前面臨極大瓶頸之矽半導體技術。

Prof. Kwo and Prof. Hong, 1983, in front of the main entrance of the Bell Lab, Murray HIll, 1983.  source: 受訪者提供。

然而當年砷化鎵曾經相當不被看好，為什麼仍然選擇這個主題？郭瑞年表示，這就是選擇研究主題的前瞻性：「從開始做研究最後到真的放在桌上可以用，這中間可能是三十年或四十年的時間」，完成重要探索、獲得成果直到應用，這中間要克服無數細節，但新科技也就因此才得以發展。」

郭瑞年目前專注的尖端研究在自旋電子學領域，她解釋，電子在導體裡彼此碰撞的現象會造成能量流失，現今科學家正嘗試開發出能有效利用電子自旋分流特性的新穎量子材料。

與物理的浪漫長跑中，熱情始終不減

郭瑞年對物理的熱情從學生時期開始，她從小就喜歡數學，也表現得相當好，在國中時遇見了一位女性物理老師，這位老師把物理解釋得清楚明白，郭瑞年學得熱血沸騰，更自願擔任班級的「物理小老師」為同學們解惑，樂此不疲，成為了她日後投入科研的契機。

郭瑞年分享了自己的研究和生命故事，言談間對物理的熱情表露無遺。圖／劉志恒攝影

大學進入物理系繼續探索，郭瑞年微笑且自信地說自己是個自動自發的人，無論光學、熱學、力學，都超前了授課進度，將自己完完全全浸泡在物理世界中。她強調預習的重要，認為若能課前預習，正式課程便如同複習，如此一來，考試時就輕鬆了。

求學階段磨練的一身本領，到貝爾實驗室後終於大展身手。郭瑞年形容，貝爾實驗室就像金庸武俠小說裡的江湖門派，一公里長的走廊兩側都是實驗室，每扇門後都是一位身懷獨門絕招、內功高強的異士，各式儀器、奇思怪想漫盈整座貝爾實驗室，裡頭的科學家日以繼夜鑽研「武功」、投入研究。郭瑞年說：「每天走進去，都能聽見（自己）心臟『砰砰砰！』的聲音。」懷抱對物理的喜愛，郭瑞年在貝爾實驗室，日日皆滿腔熱血，一刻不減。

貝爾實驗室。sourece: english Wikipedia

郭瑞年也將熱情與投入當成伴手禮，從貝爾實驗室直送回台灣，期望培養更多絕世高手科學家。早在投入高溫超導體研究的1987 年至 1993 年間，她就常往返台灣交流。一直到 2003 年貝爾實驗室大幅縮小編制，成了推動她與夫婿洪銘輝教授回台的力量。臨行前，老闆慷慨地捐贈了整套 MBE 儀器與系統，期望郭瑞年能將手上的研究技術帶回祖國，讓台灣能在此高科技產業也有好的發展，於是，夫婦二人便回國繼續從事尖端半導體元件的創新研發。

友善的社會氛圍，有助於女科學家的養成

儘管對物理的熱情至今不減，郭瑞年也坦言，即使對她來說，在成為科學家的陡坡上，仍偶而碰到澆熄滿腔熱血的冰水迎面潑來。1981 年，她剛加入貝爾實驗室時，美國東岸風氣比較保守，女性與亞洲人屬於弱勢族群，易遭不平等對待與歧視。郭瑞年在初建實驗室時，需要頻繁與工班團隊溝通，並負責監工，有段時間工班進度落後，她提醒工班經理得盡快蓋好實驗室以便開始研究，他們卻揶揄：「如果你要工程有進展的話，最好趕快開始穿裙子！」事後工班經理雖遭糾正但毫無悔意，隔天見到郭瑞年時，又開了不適當的玩笑。

除了這般外顯的行為，無形的歧視氛圍也包圍著她。郭瑞年坦言：當時貝爾實驗室同儕以男性居多，同性之間會邀請彼此參與活動並給予專業上的建議，而居於少數的女性，則較不容易打入科學界的社交圈，也少了許多獲取資源的機會。「社交和互動的缺乏若不改善，久而久之也會影響女科學家繼續往上爬的動力與機會。」郭瑞年解釋。

貝爾實驗室後來便發起「Mentor 導師制度」，主動關心女科學家的實驗內容，互相交流不同的科學資訊。郭瑞年回台灣後，在物理學會女性工作委員會裡也推動了導師制度，每年邀請女性科學家交流，讓前輩主動給予後進學術上或是專業生涯上的建議，替走上陡峭學術之路的女科學家，增加友善的推動力。

郭瑞年認為，在資質上，任何性別都沒有先天差異；在專業方面，女科學家在各領域也都相當卓越；於制度上，漸漸對於女科學家也越來越友善。例如，目前各大學給予助理教授升等的期限約為六年，但有部分學校針對升等期間生育小孩的女性助理教授，則會再給予兩年的「緩衝時間」，讓女科學家能夠從容地規劃生育，而也能夠有餘裕經營工作。

由於台灣社會的風氣，對於「物理」的既定印象也會影響新一代物理學研究者的培育。郭瑞年觀察，因為重視產業與產值，社會大眾普遍認為，物理讀到碩士學位，就足以在職場獲得不錯的工作跟收入，並不鼓勵繼續攻讀博士。但產業工作往往無法充分發揮物理專業人才的潛力，有興趣進一步鑽研物理的人才也可能因此放棄更上層樓，錯失了更多開創新領域研究的契機。

「有點可惜。」郭瑞年嘆息地說。

無關乎獲獎的肯定或者收入，對郭瑞年來說，單單物理新發現的喜樂，便足以充飽她不懈投入研究、以及培育人才的動力，「希望慢慢從這邊培養訓練新的年輕人才，把這個新科技在台灣深耕，為未來做基礎。」

從臺灣大學、史丹佛大學、貝爾實驗室，再回到台灣，郭瑞年讓全世界得以深窺物理法則的奧妙、加速頂尖技術發展，但在這些之外，她追求極致、無畏險阻的決心，早已超越了「女科學家」的標籤，不停歇地朝著前人未至之境而去。

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資料來源
https://pansci.asia/archives/344887