十週年特別策劃｜人類首次直接量測到重力波
（2015/09/14；2016/02/11公布）
專題前言
2015 年 9 月 14 日，LIGO 首度直接量測到重力波，印證了愛因斯坦廣義相對論一百年來的預言，也開啟「重力波天文學」的新紀元。十年之際（以量測日計），雙月刊特別以電話口訪形式採訪清華大學趙煦教授——趙老師以光學薄膜與雷射反射鏡起家，跨足工業與學術，晚近十年深耕重力波偵測器反射鏡鍍膜材料，見證了從室溫到低溫、從理想到落地的技術演進。。
受訪者：趙煦榮譽退休教授(清華大學光電所)｜訪談與整理：陳樫旭 副教授(淡江大學物理學系/現任雙月刊總編輯)
快速導讀（重點摘要）
• 研究主軸演進：光學薄膜 → 非線性藍光 → 矽光子／光子晶體 → 重力波偵測器反射鏡（低溫鍍膜材料）。
• 重力波核心挑戰：任何超過 ~10⁻¹⁹ m 的擾動都會淹沒信號；反射鏡懸掛抑震與反射面「熱噪聲」是關鍵。
• 低溫材料突破：以「跳水板測試（ring-down）」在 10–120 K 量測機械損耗，最終以半導體混合膜兼顧低損耗與可量產性，成果刊於 Physical Review Letters。
• 人才與產學：借力台灣半導體製程與奈米中心設備，學生習得完整流程與儀器能力，順利銜接產業。
• 人生方法論：物理訓練讓人由內而外、從根本理解問題；基礎穩固，延伸應用自成。
「重力波造成的長度改變大約 10⁻¹⁹ 公尺，比原子核還小。任何外部雜訊如果超過這個量級，就會把訊號蓋過去。」— 趙煦教授
求學起點與物理的選擇
陳總編輯：趙老師，能否先談談您當初為何選擇清華物理系？
趙煦教授：當時志願是隨意填的，家裡也沒有特別干涉。台大物理沒有考上，就上了清華物理。雖然是這樣，但我覺得自己個性和思維方式都適合物理，小時候也常看科學書，十歲時就翻過《相對論》。雖然看不懂，但不會覺得排斥。
時代背景與社會氛圍
陳總編輯：那個年代，楊振寧、李政道獲得諾貝爾獎，對您的選擇有影響嗎？
趙煦教授：應該有。他們1954年得獎，對華人社會激勵很大。當時很多大學生畢業後選擇出國，物理系的出路算是不錯。因為理工科普遍需要基礎物理實驗課助教，所以物理系學生申請到助教獎學金的機會較高。
物理訓練的價值
陳總編輯：就讀物理系後，您覺得最大的收穫是什麼？
趙煦教授：物理訓練讓人習慣從基礎思考問題，而不是僅僅解決表面現象。這種習慣不僅對研究有幫助，對生活中解決問題也一樣有效。只要基礎弄懂，後續的知識和應用都能自行延伸。這種由內而外的思考方式，是物理學生的重要特質。
音樂與物理的雙重熱情
陳總編輯：聽說您在大學花了不少時間在音樂上？
趙煦教授：對，我幾乎是主修音樂、副修物理。我會拉小提琴、豎笛、古典吉他，後來還學了大提琴。在清大，我和同學一起創立了弦樂團，甚至組成了交響樂團。當時全校學生不到一千人，要組樂團非常困難，還常常需要教授們參與一起演奏。
留學與研究轉折
陳總編輯：後來出國念書時，為什麼會轉到材料？
趙煦教授：因為1970年代物理的出路開始不好，很多人轉向應用領域。我先在美國東北大學念物理碩士，之後到德州大學奧斯汀攻讀材料，研究半導體介面與光學性質。這讓我累積了光學薄膜、固態物理及半導體製程的基礎。
工業界經驗
陳總編輯：您畢業後的第一份工作是？
趙煦教授：我在美國工業界工作了四年。第一間公司研究用光來儲存資料，後來發展出像 CD-R 這樣的技術。第二間公司屬於國防產業，專門製作雷射陀螺儀的反射鏡，用於飛彈導航。這些經驗與光學薄膜研究息息相關。
圖1:光儲存技術示意
圖2:雷射陀螺儀示意
回到台灣與清華大學
陳總編輯：為什麼決定回台？
趙煦教授：1984年我回到清華，加入電機系固態組。當時延續光碟與雷射反射鏡的研究，後來轉到非線性光學與藍光，再到矽光學與光子晶體。可以說每十年我都換一個研究主題。
投入重力波研究
陳總編輯：您是如何進入 LIGO 與重力波領域的？
趙煦教授：起點是雷射陀螺儀反射鏡的經驗。2010年，美國 LIGO 的研究員看到我與中科院合作的論文，邀請我參與反射鏡開發。重力波偵測需要極高品質的反射鏡與鍍膜材料，特別是在低溫下仍能保持穩定。這是一個非常基礎卻又富挑戰的研究，我覺得很有吸引力。之後幾乎把後半段研究生涯都投入其中。
圖3:重力波雷射干涉儀探測器示意
陳總編輯：老師，重力波偵測器的靈敏度這麼高，是不是任何一點小小的擾動都會蓋過信號？
趙煦教授：沒錯。因為重力波造成的長度改變大約是10−19 公尺這麼小，比原子核還小。如果有任何外部雜訊超過這個量級，就完全看不到重力波。所以必須把所有背景雜訊壓到最低，包含共振腔的擺動、雷射光源的穩定性，還有反射鏡的設計。
圖4:重力波探測器雜訊示意圖，其中橘線和綠線（Suspension Thermal和Coating Brownian）的部分為趙教授團隊致力於改進的地方。
研究細節與挑戰
陳總編輯：所以反射鏡的要求也很嚴格？
趙煦教授：對，主要有兩方面。一個是反射鏡懸掛系統要把震動壓到極低；另一個是反射面本身要抑制熱擾動。因為原子有布朗運動，會帶來熱噪聲。第一代 LIGO 在室溫下已經能做到很低的噪聲，用的是雷射陀螺儀技術發展出的反射鏡，直徑約 34 公分，鍍膜技術當時只有法國一家公司能提供。
陳總編輯：但後來不是要改用低溫嗎？
趙煦教授：對，第二代開始採用低溫，本來理論上溫度越低，噪聲應該越小。但我們發現有些材料在低溫下反而出現更大的機械損耗，和材料的摩擦係數有關。這會導致能量耗散，讓反射鏡表現變差。
陳總編輯：那要怎麼測這些材料的摩擦損耗呢？
趙煦教授：其實方法很直觀。我們會把鍍膜材料塗在一個像「跳水板」的基板上，再用靜電力去驅動它震動。如果摩擦小，它會震動很久；摩擦大，就很快衰減。再用雷射去量反射光的位移，就能算出損耗值。這些實驗必須放在低溫系統裡進行，通常溫度要降到 10–120 K。
陳總編輯：所以挑材料的時候，還要考慮製程？
趙煦教授：沒錯。反射鏡需要很多層高、低折射率材料交替鍍膜，每層厚度要控制在四分之一波長。要能同時做到低溫下損耗小、又能大面積均勻鍍膜，難度很高。我們想到用半導體材料，因為台灣有先進的化學沉積技術和奈米中心設備，能做到大尺寸基板的均勻度。這也是我們的優勢。
陳總編輯：所以學生也能從中受益？
趙煦教授：對。他們在實驗過程中能接觸大量半導體製程和分析儀器，這些經驗在產業界很有價值。很多學生後來畢業都能直接銜接半導體產業。
陳總編輯：最後您們找到合適的材料了嗎？
趙煦教授：我們找到一組混合膜，結合了不同材料的優點，在低溫下表現出非常低的機械損耗。成果最後發表在 Physical Review Letters，算是我退休前的重要工作。
趙煦教授：挑戰主要在於尋找低溫下摩擦損耗極低的薄膜材料。我們利用「跳水板測試」測量材料的能量損耗，再與理論比較，最終我們找到找到幾組半導體混合材料，而其中一組混合膜，結合了不同材料的優點，在低溫下表現出非常低的機械損耗。成果最後發表在 Physical Review Letters，算是我的研究生涯收官之作。
給年輕學子的建議
陳總編輯：您覺得物理研究最重要的價值是什麼？
趙煦教授：物理讓人養成由內而外的思考方式。基礎想通，後續知識就能自己發展。這種習慣不僅在研究領域，生活與職場中也能帶來優勢。我希望年輕學子勇於追尋自己的興趣，打好基礎，未來道路就能更廣。
