美國海軍發表「室溫室壓超導體」專利

電流在超導體內能不受阻力的流動,可以100%傳遞電能,不損失能量也不排放廢熱。如果能在室溫實現超導體,將是一個顛覆性的科技。近日,美國海軍發表一份關於室溫超導體的專利。不同於其他同性質的專利,它並不著重於任何化學配方,而是描述一個能產生超導的物理機制。儘管專利內並沒有實驗數據佐證,其提出的方法可信度非常高。

超導體在脈衝下產生震盪示意圖。(來源:參考資料)

撰文|陳奕廷

●室溫超導體的最新專利

在超導體的研究中,科學家不斷發現新的材料,使得超導現象能在更高的溫度實現。但在美軍的這一份專利中,材料的配方不是重點,關鍵則在於引發超導現象的物理機制。圖一是專利中的設計圖。裝置的核心是一個絕緣體(沒有說明材料種類)。絕緣體的周圍被壓電材料或是金屬等薄膜包覆(鋁或鋅鈦酸鉛)。在通過脈衝電流時,整個裝置產生震動,室溫超導現象因而被激發。在解釋其原理之前,先讓我們快速複習一下超導體的基本特性。

圖一、美軍專利中的設計圖。(來源:參考資料)

●超導體的二三事

超導現象可以用BCS(Bardeen-Cooper-Schrieffer)理論解釋。當兩個電子在材料之中因為「某種吸引力」形成一個古柏電子對(Cooper pairs)。雖然電子是費米子,古柏電子對卻是一個波色子。在足夠低溫下,古柏電子對發生凝聚現象,超導性質因而產生。

BCS理論中並不要求「某種吸引力」的來源,只要是有吸引力就好了。庫倫定律告訴我們兩個帶有相同電荷的粒子會互相排斥,兩個電子究竟要怎麼產生吸引力呢?公認的解釋是聲波震動的作用:震動的原子核扮演中間人的角色,使得兩個電子互相吸引。更詳細的解說可以參考<室溫超導體指日可待?>

●聲波扮演格外重要的角色

超導體具有一個臨界溫度,只有在臨界溫度以下才有超導性質。經過科學家不斷的研究和發現新材料,臨界溫度從一開始接近絕對零度(0K)逐漸升高到100K以上(圖二)。提高超導體臨界溫度的其中一個關鍵是聲波的特性。當材料原子之間的鍵結越強或者是原子越輕,聲波的震動頻率會越高,臨界溫度也會越高。因此,提升臨界溫度的方法之一是將超導材料中的部分原子替換成質量越小、鍵結越強的原子。

圖二、超導體臨界溫度的發展。(來源:維基百科)

除了尋找新材料和替換原子,也可以透過物理方法改變聲波特性,讓臨界溫度更高。以下介紹兩個在美軍專利中提到的參考資料。第一個方法是增加壓力。在氫化鑭(LaH10)之中,由於氫原子質量非常小,聲波頻率本身就高。科學家對氫化鑭施加上百萬個大氣壓的壓力,讓原子間鍵結增強,臨界溫度可以更進一步地提升到200K以上。儘管臨界溫度接近室溫,卻需要百萬個大氣壓力,無法應用在日常生活中。第二個方法是用雷射激發超導。具有特定頻率和極性的雷射可以激發材料中特定的聲波,使得材料在原子尺度下產生大幅度的形變。若要用外加壓力產生相同的形變,需要超過上百萬個大氣壓力。使用雷射方法可以在室溫、室壓達到超導現象,但有一個致命的缺點:超導現象只能維持大約1皮秒(1 picosecond = 10-12second),時間尺度太短而無法應用在日常生活中。

●美軍發表的室溫超導體

美軍專利和「雷射激發超導」使用的物理原理相同,但是它不使用雷射,而是使用壓電材料。壓電材料在受高壓電時,其長度會發生變化。若通入脈衝電流或是交流電,壓電材料會產生震動,在材料中產生聲波。美軍專利就是用這樣的原理在材料中產生特定的聲波,使得臨界溫度提升到室溫。儘管沒有提及環境壓力,但是依照專利的文章脈絡,這個現象應能在室壓下產生。至於這份專利能不能長時間激發超導現象(超過雷射激發的1皮秒),美軍目前並沒有公布。

 

參考資料:

  1. Salvatore Cezar Pais, piezoelectricity-induced room temperature superconductor, US Patent 2019/0058105 (2019)
  2. Dienst et al., Bi-directional ultrafast electric-field gating of interlayer charge transport in a cuprate superconductor, Nature Photonics, 5, 485-488 (2011)

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作者:陳奕廷,台大物理系學士,史丹佛大學應用物理系博士班就讀中。對各領域的科學都非常好奇,歡迎互相交流。

 

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