我喜歡鈮！最高溫的單質超導體

科學家喜歡使用鈮金屬來探討電子的行為，因為它是最高溫的單質元素超導體，其超導臨界溫度有9.2 K，雖然比起日常生活的溫度冷上許多，這溫度卻在實際的實驗上帶來許多的便利。因為鈮的晶格結構及電子結構特殊，以至於使它能擁有較高的臨界溫度。透過超導的特性，我們可以更多地瞭解純粹的電子行為，能更深入理解不同物理特性背後的運作機制。

撰文｜黃鼎鈞

喜歡鈮，並非網路用語中的「喜歡泥（你）」的意思，而是指許多材料科學家喜歡鈮 (Niobium, Nb) 這個元素。鈮是目前已知超導臨界溫度最高的單質元素，只要溫度低於絕對溫度9.2 K，鈮就能呈現超導態，相較於其他單元素超導材料更為高溫，如鉛 (7.2 K)、汞 (4.2 K) 及鉀 (3.7 K)。在超導體中，電子能夠自由流動而不受阻礙，這不僅有望製作出高效能、零汙染的電子元件，對於科學家而言，更可以研究電子的純粹傳輸行為。因此，科學家喜歡使用鈮作為研究電子表現的對象。若將電子比喻成跑車，要瞭解跑車的最佳性能，我們會將車輛放在一個順暢的賽道中測試，而不會放在泥沼之中，超導狀態就像是一條讓電子自由奔馳的賽道，能讓科學家瞭解電子的純粹行為。

為什麼鈮具有相對高的超導臨界溫度？

目前的科學家所發現的超導狀態都發生在低溫之中，通常在低於一特定溫度時，該元素才能出現超導狀態，因為低溫可以降低熱擾動對電子造成的影響，而這溫度稱為超導臨界溫度。然而，如果元素本身具備有更好的條件，就能提升臨界溫度，也就是說，不需要把材料搞得太冷，也能夠出現超導狀態！我們可以從兩個角度來理解為什麼鈮具有高超導臨界溫度：第一個是晶格結構，另一個則是電子結構。鈮的晶格屬於立方晶系中的體心立方結構，如圖2所示。在體心立方結構中，堆積密度為68%，每個原子位於立方體的角落和立方體的中心，這樣的排列造成了更多的空隙和自由空間。這種結構使得電子在晶體中能夠更自由地移動，因為它們可以更輕鬆地穿越這些空隙而不受到太多的阻礙。相比其他單元素超導材料，鈮具有相對低的原子堆積密度（面心立方為0.74），在圖2中可以看到鈮與鉛、鉀的比較。用賽車遊戲中的賽道來比喻，在鈮的結構中，就像是最基礎的直線賽道，沒有其他曲折的賽道，以至於賽車能盡全力加速。

在電子結構中，鈮的電子組態為[Kr] 4d⁴5s¹，可以看見在5s軌域中有一個單獨的自由電子，這一個電子能夠更自由地移動，就像是在賽道上沒有其他的競爭車輛，僅有一部跑車，可以順暢地盡情奔馳。雖然鉀的電子組態為[Ar] 4s¹，亦僅有一個電子在外圍，但是鈮的電子組態中擁有d軌域的電子，d軌域在超導體中常扮演重要的角色，使得電子在鈮裡頭可以更自由地移動。超導形成的成因目前仍尚未完全釐清，不過d軌域對電子造成的影響一直是研究超導體背後機制的焦點。總結來說，我們可以初步從晶格結構及電子結構兩個觀點來試著理解鈮的厲害之處！

9.2 K (-264 ℃) 就算高溫了嗎？

或許你會好奇，鈮的超導臨界溫度9.2 K也才比汞的4.2 K多出5度而已。要是在臺北，30 ℃跟25 ℃都像夏天一樣啊！有差這麼多嗎？

是的，這5度的差距在實驗室中可是差很多。一般的低溫實驗常使用液氦來降溫，它的沸點為4.2 K，可以將物質冷卻至這個溫度。然而，將物質從室溫（約300 K）降溫至9.2 K和4.2 K所需的時間和成本可是大不相同。根據熱力學定律，熱傳導速率與溫度梯度成正比，也就是說，當高溫與低溫之間的溫度的變化率越小時，熱傳導速率越慢。因此，根據筆者從事低溫物理實驗的經驗，要使實驗樣品達到接近液氦沸點的4.2 K溫度，可能需要花上2到3天的時間，而要達到9.2 K只需要1到2小時。對於超導相關的實驗來說，我們希望實際溫度比臨界溫度更低，這樣可以確保樣品處於超導狀態中。

鈮 (Niobium) 這個名字源自希臘神話中流淚的尼俄伯 (Niobe)，她的父親是坦塔羅斯 (Tantalus)。鈮的發現始於從鉭 (Tantalum) 中分離出來，而鉭則是由坦塔羅斯所命名。這對父女在希臘神話中都是悲劇角色。尼俄伯自誇擁有14個孩子，比當時祭拜的女神僅有2個孩子還多，因此她驕傲地自視為神，結果遭到懲罰而家破人亡，她的悲傷成了描述無盡痛苦的象徵。然而在科學領域，鈮卻不是個悲劇的金屬。它具有高溫超導的特性，因此受到研究人員的喜愛，幫助我們更深入瞭解電子行為！

參考文獻

1. Finnemore, D. K., Stromberg, T. F., & Swenson, C. A. (1966). Superconducting properties of High-Purity niobium. Physical Review, 149(1), 231–243.
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3. Mattheiss, L. F. (1970). Electronic structure of niobium and tantalum. Physical Review, 1(2), 373–380.

✨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》