當LK-99再次出現,你可以怎麼判讀?來認識超導體伴隨的獨特物性

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2023年8月,韓國量子能源研究中心宣布取得物理材料領域的「聖杯」——「室溫超導體」。這一突破性消息成為全球焦點,引起各地新聞媒體報導。超導體具有電子無阻礙流動的特性,可實現高效率和零汙染的科技理想。然而,迄今多數超導現象僅能在極低溫環境下發生,限制了日常生活應用。除零電阻外的獨特特性,本文將介紹觀察超導體的重要實驗指標。當下一次又有人宣稱製作出「室溫超導體」時,或許我們就有更多的判讀能力!

撰文|黃鼎鈞

在2023年8月,韓國量子能源研究中心宣稱成功取得物理材料界的「聖杯」,即「室溫超導體」,此消息一經發佈,立即成為全球矚目的焦點。全球各地的新聞媒體紛紛報導此一突破性事件,甚至相關概念的股票也因此瞬間飆漲。超導體具有使電子在元件中無阻礙流動的特性,進而實現高效率和零汙染的科技夢想。然而,迄今多數超導現象僅能在極低溫環境下發生,限制了它們在日常生活中的應用。因此,「室溫超導體」成為眾多科學家爭相追求的目標。除了零電阻外,超導體還具備其他獨特特性,本文將介紹這些伴隨著超導現象的相關特性,幫助我們更深入瞭解超導特性的本質。

我們無法僅以「零電阻導體」來解釋超導體,因其超導狀態的成因更為戲劇化。當物質呈現超導狀態時,電子從無序排列轉變為有序排列。因此,當超導體置於磁場中時,它會表現為一個完全的「反磁體」,即磁力線完全無法進入物質內部,且會將外部磁力線排斥在外,因而使超導體能夠懸浮於磁場中。這種效應稱為邁斯納效應 (Meissner Effect)。該效應可以應用在磁浮列車等科技中,實現無摩擦力的高速交通。

圖1:超導體材料懸浮於磁場中的示意圖|來源:Leonardo AI. & Microsoft Bing AI生成圖

根據邁斯納效應,超導體可以被分為兩類,這種分類基於材料對外加磁場的不同反應。當逐漸增加外加磁場時,第一類超導體會完全排斥磁場進入,直到外加磁場超過臨界值時,超導狀態會瞬間消失(圖2(a))。而第二類超導體對外加磁場的反應則可分為兩個階段,首先,當施加外加磁場時,它會完全排斥外加磁場進入內部;然而,隨著外加磁場的增大,它會進入第二個狀態,允許部分外加磁場進入內部,同時保持超導狀態,直到外加磁場超過第二臨界值,超導狀態才會消失,物質恢復其原本的特性(圖2(b))。這種現象也被稱為「不完全的邁斯納效應」。

觀察超導體時,另一個重要的指標是材料的熱容量 (Heat Capacity)。在熱力學中,熵值 (Entropy) 用來描述物質的無序程度,當熵值越高表示系統越無序。當物質的溫度越低時,其中的電子無序度將下降,但如果物質處於超導狀態,電子的有序排列會使得無序度下降的速度更快(圖2(c))。可以嘗試想像學校朝會的情景,如果是在炎熱的天氣,學生會變得較為躁動,此時熵值會很高;然而如果是冬天,學生狀態相對冷靜,熵值就會較小。超導體就像是一群不只冷靜,且具有高度秩序的學生,呈現的熵值會比一般材料更小。

熵值隨著溫度的變化能夠影響熱容量,其關係中的「對於定體積系統,對溫度進行一階微分並乘以溫度」反映了物質系統對熱量變化的敏感度。通常情況下,熱容量隨著溫度下降呈線性變化,但在超導狀態中,電子呈現有序排列,這導致熱容量下降速度更快(圖2(d))。因此,觀察熱容量的變化對於研究超導現象是一項重要的觀察指標。

圖2:超導體特性示意圖;(a)第一類超導體磁化強度與外加磁場的關係,其磁化方向與外加磁場相反,故加一個負號,該材料超越臨界磁場時將失去超導狀態;(b)第二類超導體磁化強度與外加磁場的關係,在第一臨界磁場與第二臨界磁場之間,磁力線將部分穿透材料;(c)物體中熵值與溫度的關係,正常態的熵值將隨著溫度下降而線性降低,但超導狀態的物質會降低得更快;(d)由熵值換算而得知熱容量,正常態的熱容量與溫度的平方的關係將為一直線,超導體則會隨著降溫|來源:作者提供

邁納斯效應和熱容量的特殊變化是觀察超導體的兩大重要實驗指標。也許好奇的讀者會想知道,為什麼電子在低溫時會神祕地產生有序排列呢?汞是最早被發現具有超導性質的金屬。過去科學家發現,當汞的原子量從199.51變化至203.456質量單位時,從正常態轉變為超導體的臨界溫度也由4.185 K變為4.146 K。有趣的是,當混合相同元素但不同同位素時,調整出具有不同原子量的汞,其臨界溫度也相應改變。基於這樣的關聯,科學家認為原子結構中的「晶格震動」以及「電子與晶格」的相互作用與超導性息息相關。額外說明一下,晶格就像是蓋房子的骨架,原子則是其建材,當建材質量越大時,對於整個房子就會產生不同的影響。基於此假設,科學家發展出多種理論,來描述產生超導現象的機制。

圖3:電子在晶格中移動示意圖|來源:Leonardo. AI & Microsoft Bing AI生成圖

目前,韓國團隊製作的LK-99已經被主流期刊和科學團隊否定其為「室溫超導體」。透過本篇文章,我們已經認識了伴隨超導體的物理現象。當下一次有研究團隊宣稱找到「聖杯」時,或許對於好奇的讀者而言,除了零電阻的超導現象,也能透過邁納斯效應及熱容量變化這兩個相伴的特性來確認該物質是否真的具備有超導特性。下一篇文章,我們將繼續介紹產生超導現象背後的物理機制。

 


參考文獻

  1. Kittel, C., & Fan, H., 1957, “Introduction to Solid State Physics.”, American Journal of Physics25(5), 330.
  2. Lee, S., 2023, July 22, The first Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor. arXiv.org.
  3. Bardeen, J., Cooper, L. N., & Schrieffer, J. R., 1957, “Theory of superconductivity.”, Physical Review, 108(5), 1175–1204.

 


📖 延伸閱讀:《在絕緣與超導間自由切換的石墨烯》、《轉角電子學:超導與絕緣自由切換的轉扭

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