室溫中的超導現象

■物理學家首次在室溫中觀察到超導現象,儘管這個超導現象只維持了大約百萬分之一微秒(10^-12秒)。

釔鋇銅氧超導體的晶格結構示意圖© Jörg Harms/MPI for the Structure and Dynamics of Matter
釔鋇銅氧超導體的晶格結構示意圖© Jörg Harms/MPI for the Structure and Dynamics of Matter

撰文|陳勁豪

超導現象是荷蘭物理學家Onnes在1911年所發現的。他發現當水銀用液態氦冷卻到絕對溫度4.2度(約零下269度)時,水銀的電阻會忽然降為零。當一個物質的電阻等於零時,電流可以毫無阻礙的通過這個物質而不會損耗任何能量。而當電流流過一般帶有電阻的物質時(例如流過銅質電線),電流會因為電線中的電阻而產生能量損耗,所以電線摸起來會變熱。因此這種無電阻,無能量損耗的性質可以想見會有無數日常生活中的應用。以現今而言,最常出現的地方是醫院中的核磁共振造影(MRI)機中的超導磁鐵,或是粒子加速器中所用到的超導磁鐵。另外也可以把超導體製成超導電子元件,用來檢測微小磁場。

但是超導體應用上最大的問題之一就是超導現象只發生於低溫世界。早期的超導體基本上都需要用液態氦(絕對溫度4.2度)來降溫。1980年代發現了高溫超導體,把發生超導現象的溫度提升到液態氮溫度(絕對溫度77度)之上,大幅降低了冷卻成本。物理學家最終依舊希望尋找室溫超導體,但是一直沒有實現。

位於德國漢堡的Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter的物理學家Andrea Cavalleri所領導的國際合作團隊對室溫超導體的可能性跨出了關鍵的一步。他們選定的材料是釔鋇銅氧化合物(YBCO)。這個材料的超導溫度是絕對溫度91度。釔鋇銅氧化合物的結構基本上是由兩層銅氧層跟一層較厚的鋇氧層所堆疊而成。超導現象主要是發生在銅氧層中。超導電子對可以以穿隧(tunneling)或是躍遷的方式過鋇氧層而產生超導現象。但是當溫度大於臨界溫度時,電子對便無力通過鋇氧層,而成為電流的不良導體。

這個團隊2013年的時候發現,當用紅外線雷射脈衝照射釔鋇銅氧時,釔鋇銅氧在室溫中會產生短暫的超導現象。他們認為這個短暫的脈衝似乎改變了釔鋇銅氧的晶格結構。為了探討這個問題,他們改進了實驗方式。他們的第一步依舊是用紅外線雷射來照射釔鋇銅氧,用來激發特定的原子。接著他們用短的X光脈衝來測量這個區域的晶格結構變化。

他們發現當釔鋇銅氧被紅外線雷射照到的時候,不只激發了被照射到的原子,同時也改變了這個原子在晶格間的位置。他們注意到銅氧層的厚度大約增加了兩個picometer(1 picometer為10^-12公尺),大約是原子尺寸的一百分之一,而兩個銅氧層之間的距離大約也減少了這麼大的距離。但就是這麼小的改變,似乎就改變了鋇銅氧的超導性質,使它能夠在室溫下出現超導現象,儘管維持時間大約只有百萬分之一秒的百萬分之一。

這個發現雖然只能維持室溫超導在一段很短暫的時間,但確有可能為材料科學家在尋找室溫超導體的路上給出一些線索。

參考資料:
Max-Planck-Gesellschaft Press Release, December 03, 2014: Superconductivity without cooling
原始論文:
Nonlinear lattice dynamics as a basis for enhanced superconductivity in YBa2Cu3O6.5
Nature 516, 71–73 (04 December 2014)
doi:10.1038/nature13875
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作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

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