【人物專訪】暢行無阻:超導與超流─訪高英哲副教授

高英哲教授預告,第六講的內容,將會帶大家從微觀的角度了解超導和超流,以及更多巨觀量子現象、約瑟芬效應和磁通量量子化的分析,並進一步介紹磁通量量子化跟超流渦漩量子化連結後,建造的超流體現象。

撰文│林柚稘

攝影│甲芳

發現超導現象,獲得諾貝爾獎的「低溫物理學之父」,海克.卡末林.昂內斯(Heike Kamerlingh Onnes)其實不是真正發現超導現象的人?

在英國劍橋做研究的彼得.卡皮查(Pyotr Kapitsa),為什麼製造出氦液化器不久後,就再也沒回去英國?

提出約瑟芬效應(Josephson effect)的科學家布萊恩.約瑟芬(Brian Josephson)與發現BCS理論的約翰.巴丁(John Bardeen),兩個人之間又有過什麼過節?

好多現代物理發展歷史的「為什麼?」,和對超流與超導現象的好奇心,就讓台灣大學物理系高英哲教授在五月二十五日(六)「沒人懂的量子世界」第六講「暢行無阻:超導與超流」中,一次滿足大家旺盛的好奇心!

低溫物理世界的兩大軸心:超導與超流,兩者都是在絕對零度附近幾十K範圍內發生的物理現象。

超導是指某些超導體在低溫下能使電子自由流動,電阻降為零,形成無電阻的電流;超流則是指液氦在低溫下可以完全無阻礙地流動的現象。

人類為何能看到這些現象?原因是因為將氦液化後,人們開始可以探索低溫的世界。在1911年荷蘭科學家昂內斯將水銀放進液氦,觀察到水銀在溫度降至4.2K附近時,發生了前所未有的改變:水銀的電阻小到實際上測不出來,成為接近零電阻的狀態。昂內斯把這個新現象稱為「超導」,在兩年後獲得諾貝爾獎。

這是最常聽到的版本,但沒有人知道,在那一個不尋常的四月天,當時在實驗室裡,將水銀放進液氦裡的人,第一個觀察到這現象的,不是昂內斯本人,而是他的助手吉爾.霍爾斯特(Gilles Holst)。

昂內斯在兩年後因此發現獲得諾貝爾獎,高英哲教授感嘆,「大家紀念他,但不會記得這位助手。」

不過,人類與超導的故事也從這裡揭開序幕,科學家們開始試著去解釋、了解這個現象。在1956年前後,逐漸發現一些證據,像是電子需要配對起來,才能形成超導現象。之後也陸續發現新理論,像是於1972年得到諾貝爾獎,由巴丁、里昂.庫柏(Leon Cooper)和約翰.施里佛(John Schrieffer)三位物理學家共同提出的BCS理論。

在最初,荷蘭掌握研究超導現象不可或缺的,使氦液化的技術。其他國家的科學家也知道昂內斯是如何辦到的,但在當時,全世界只有荷蘭擁有做出這實驗的環境,其他國家的科學家也只能望洋興嘆。

直到1934年,在英國劍橋做研究的俄羅斯物理學家彼得.卡皮查(Pyotr Kapitsa),製造出氦液化器,才打破二十多年氦液化技術的壟斷。全世界物理學家都擁有可以做出來這實驗的環境後,產生了競爭的關係,形成早期量子力學研究百花齊放的一個現象。

然而,卡皮查的命運在這之後急轉直下。1935年,卡皮查回俄羅斯探訪母親,當時沒有人知道,卡皮查將不會再回到英國。

1935年,卡皮查回俄羅斯探訪母親之後,就被史達林禁止出境。史達林在國內為卡皮查設立了一個實驗室,等於是間接拘禁他,強迫卡皮查參與俄羅斯的建設工作。

在確定卡皮查不會再回到英國後,劍橋大學同意讓俄羅斯買回卡皮查在英國實驗室裡的器材,但卡皮查當年製造出的氦液化器,卻怎樣也不願讓出。

不過,卡皮查最後仍在俄羅斯的實驗室裡重新製造了另一台氦液化器,繼續他的研究工作,並在1937年發現了超流體。

超導與超流現象被發現至今已過了將近百年,現在最大的問題,仍是他們在現代社會的應用,「因為要降到很低溫,才有辦法使用,高溫超導體發現了過了幾十年,還是沒有辦法成為一項日常實用的技術」,高英哲教授解釋,「比方說,在LHC要有很多很大的超導磁鐵,來承載很大的電流,才能產生很大的磁場。」

高英哲教授進一步解釋,從微觀的角度來看,有一個很重要的實驗證據,超導溫度跟原子核的重量有關,原子核越重超導溫度就越高,表示電子可以透過晶格震盪來互相吸引。發現BCS理論的「C」科學家庫柏就提出「庫柏對」(cooper pair)的概念:讓兩個電子結合在一起,用超流的方法去看超導現象。

科學家做研究,需要有實驗證據;實驗證據也需要理論來解釋,「施里佛曾在傳記裡面提到,那是他當時在紐約地鐵站,靈機一動所想出來的。」

就像近年很熱門的「上帝粒子」希格斯粒子(Higgs boson),菲力普.安德森(Phillip Anderson)先提出一個類似的機制,光子在超導體裡面會有質量,所以光子就不會跑太遠。

這理論與提出約瑟芬效應的約瑟芬的「超導量子干涉儀」(Superconducting QUantum Interference Device,簡稱SQUID)脫不了關係。

1962年約瑟芬提出超導電流可以穿越極細的絕緣層的想法時,他才22歲,還是劍橋大學的博士生。根據他的同窗回憶,學生時代的約瑟芬是個優秀、有自信的優等生,老師上課準備的講義,甚至必須重複檢查有無錯誤。如果有錯誤的話,約瑟芬會在講義的背面,有禮貌的寫下老師的錯誤。

還是初生之犢的約瑟芬,提出他的想法後,卻引來了當時物理學界意氣風發的大老,提出BCS理論的「B」物理學家,約翰.巴丁的強烈反對與指責。

巴丁的指責,也導致當年九月在倫敦,兩人發生了一場面對面的衝突。這場爭論,更被形容成一場「歷史性的對抗」。擁有廣大人脈與影響力的巴丁,甚至還找來其他聲明顯赫的理論家,像是菲力普.安德森(Phillip Anderson)和庫柏等人加入自己的陣容。

插畫家Thomas Reis甚至還畫了一幅諷刺漫畫:年輕的約瑟芬推著一台「超導電流」的推車,想推進「1962」的隧道,但卻被巴丁擋在隧道前。

幸好最後仍藉由在六零年代發現的各項實驗結果,進一步證實約瑟芬的想法是對的,讓之後出現的「約瑟芬效應」和SQUID得以運用在超導理論上。

在目前,超導最大的應用還是磁鐵和SQUID,電力傳輸線也是一種最可行的運用,「因為在傳輸過程中,能源會耗散很多,使用超導傳輸線就能降低能源耗散,就可以更有效的運用電力了。」

「只是人們搜尋了一百多年,到現在還沒找到室溫超導體。最高溫的臨界溫度也只能到零下一百六十度,」,高英哲教授表示,「如果可以找到人類可以日常運用的超導體,比方說零下一百度的話,就會有發展潛力;如果還能做到零下五十度的話,超導體就能有更多應用機會!」

至於什麼時候才能夠找到答案,高英哲教授表示,這問題連他也不敢作預測,「大家都很努力在找,每個月都有新的超導體出現。最大問題是我們不了解新發現的這些物質,他們為什麼可以超導?為什麼超導溫度這麼低?雖然我們都稱其是『高溫超導』但那是與過去相比,我們至今還是不知道背後的原因是什麼。如果能解開,就會有希望!」

高英哲教授預告,第六講的內容,除了上述內容之外,還要帶大家從微觀的角度了解超導和超流,以及更多巨觀量子現象、約瑟芬效應和磁通量量子化的分析,並進一步介紹磁通量量子化跟超流渦漩量子化連結後,建造的超流體現象。

高英哲教授也會進一步為大家介紹高溫超導現象在高溫超導磁鐵和高溫超導磁浮列車上的應用。

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