【材料科技】超導溫度再創新高
■一群德國物理學家把超導體的臨界溫度再次推上新高點，達到絕對溫度203K(攝氏-70度)。
撰文｜陳勁豪
超導體最重要的特性便是當溫度降到臨界溫度之下時，超導體的電阻會忽然降為零。這表示電流透過超導體傳輸時不會有任何損失，同時也不會因為電流流經電阻而發熱損失能量。這個特別的性質可以想見有著無窮的應用潛力，例如毫無損失的電力傳輸線，可以更有效的運送電力。超導體也可以用來製造磁力更強的超導磁鐵，可以直接應用在許多領域，例如醫院裡的核磁共振造影，或是粒子加速器中的超導磁鐵。
但是超導體的臨界溫度始終是個關鍵問題。早期的金屬超導體，臨界溫度多在20K以內，雖然容易加工，但是臨界溫度過低是致命傷，一定要用液態氦來冷卻，或是強力的製冷機。到了1987年釔鋇銅氧高溫超導體被發現之後，臨界溫度一次提升到91K，直接超過了液態氮的溫度(77K)，表示可以用更便宜的方法來冷卻超導體(液態氦價格約是液態氮價格的一百倍)。但是釔鋇銅氧超導體太硬，很難加工成電線，所以就實用上，還是很有問題。
所以物理學家希望能夠找到超導溫度夠高，又能夠容易加工的超導體。這次這群來自德國Max Planck Institute for Chemistry跟Johannes Gutenberg University Mainz的科學家把眼光放在提昇超導溫度上。物理學家很早就知道把超導體加壓可以提昇超導溫度。另一方面，根據一些理論計算，金屬氫可能在室溫就可以直接變成超導體，只是有一個缺點，金屬氫只在大約300 GPa的超高壓環境中生成，大約是大氣壓力0.1 MPa的三百萬倍。
金屬氫太難搞定，所以退而求其次，他們利用氫含量高的化合物硫化氫(H2S)。硫化氫聞起來就像雞蛋臭掉時的味道，在日常生活中並不罕見。而且硫化氫在高壓的時候可以達到80K的超導溫度。所以他們把硫化氫拿去加到150GPa，也就是大氣壓力的150萬倍，果然看到超導溫度提昇，而且是直接跳到203.5K，直接打破超導溫度紀錄。他們不但觀察到了零電阻現象，同時也看到了超導體的另一個重要特徵，麥斯那效應(Meissner effect)，也就是超導體的抗磁性。同時觀測到這兩個效應發生，讓所有物理學家都相信他們的確看到了硫化氫變成超導體。
雖然這個超導溫度需要在超高壓環境下才能達到，但是對物理學家還是有很重要的參考意義。首先這個溫度已經超過了地球上地表某些地方的最低溫度，表示在地表上的某些角落，這個壓力下的硫化氫可以直接變成超導體。而這種超高壓所形成的晶體結構可能可以給物理學家新的啟發，讓他們對超導機制有更進一步的認識。另外這個實驗也表示，這種氫含量高的化合物可能有機會變成超導溫度更高的超導體，所以可以預見，新一波尋找室溫超導體的熱潮又將開始。
原始論文
Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system
Drozdov, A. P., Eremets, M. I., Troyan, I. A., Ksenofontov, V. & Shylin, S. I. Nature
http://dx.doi.org/10.1038/nature14964 (2015)
參考資料
1. Nature News 2015/08/17: Superconductivity record sparks wave of follow-up physics
2. Physicsworld 2015/08/21: Hydrogen sulfide is warmest ever superconductor at 203 K
--
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。
