超導體(Superconductivity)研究再現曙光

磁浮列車

超導體(Superconductivity)研究再現曙光
知識通訊評論第67期

二十多年前朱經武等科學家開啟的高溫超導研究，在遭遇多年瓶頸後，再在科學界掀起騷動。

一種新的高溫超導體的重大發現，在科學界再一次吹起經濟上可行的磁浮技術，以及無流失的能量傳輸，或許真有可能的希望之風。

可以幾近無電阻狀況傳導電流，並且在不用電壓的情況下維持電流的超導體，為早是在一九一一年發現的。但是超導體起初少有實際應用，因為像是水銀、鉛、鈮這些早期所使用的材料，都必須降溫到只比絕對零度(攝氏零下二百七十三度)高幾度的極低溫，才能達到電阻完全消失的「超導溫度」。

科學家在一九八六年，首度確認了一系列以銅為主的高溫超導體，在數年間就將超導溫度推高到絕對溫度一百度之上，超過了液態氮沸點的絕對溫度七十九度，這是在經濟上非常重要的基準點；一九九五年，超導溫度達到絕對溫度一百三十八度的紀錄。但是最後這些溫度停止繼續向上提升，使得室溫超導體的希望受挫。

東京科技研究中心的一群研究員，兩年前合成出一種以鐵為主，而非以銅為主的新超導體，重新燃起大家對於超導體的興趣。材質裡也含有氧、鑭、磷等等元素，但是其超導溫度只比絕對零度高出四度而已，並沒有優於一個世紀以前首度發現的超導體。

材料科學家細野英夫 (Hideo Hosono)領導的研究團隊兩年前合成出一種以鐵為主的新超導體，重新燃起大家對於超導體的興趣。

接著在今年二月，同一批研究員宣佈他們達成一項令人振奮的研究發展：他們在分層材質中，使用另一種氮族元素砷取代磷，然後砰，超導溫度一下竄升到絕對溫度二十六度。之後他們經過操作處理，又把溫度提高到絕對溫度五十度以上。領導這項研究的材料科學家細野英夫 (Hideo Hosono) 表示，研究小組成員對此都感到相當意外。

超導體研究社群如今蠢蠢欲動。全世界許多研究小組加倍努力，著手研究以鐵為主的材料，並嘗試使用像是鉍這類其他的氮族元素。科學家每個星期都在預印伺服器 arXiv 上面，張貼帶有材料屬性新宣告的論文。美國愛荷華州愛密斯國家實驗室物理學家坎菲德 (Paul Canfield) 表示，這項成就非凡驚人，因為他們終於推翻了以銅為主的暴政。

以鐵為主的這一系列材料，或許能使超導體在容易操作溫度下的運用，出現一個嶄新的機會。它們也同時提供化學家一個機會，終於可以瞭解高溫超導體是如何運作的。
傳統的低溫超導體的機制，是由巴汀 (John Bardeen) 、古柏 (Leon Cooper) 與史瑞佛 (John Robert Schreiffer) 共同發展出來獲得諾貝爾獎的理論所解釋。在金屬水晶格狀結構裡的振動，壓過電子之間的斥力，使它們兩兩擠成一對；這些成對的電子以單一量子的狀態，毫無阻力地自由移動。超導體的第二項特性是可以阻絕磁場，因而產生磁浮的應用。

發現以銅為主的超導陶瓷體，引發出至今仍然尚未獲得解答的有趣問題。荷蘭萊頓大學凝態物理理論學家扎寧 (Jan Zaanen) 表示，以現有的理論物理，無法對其做出合理解釋，他們面對的是一大團不解之謎。理論學家相當懷疑，磁力與高溫超導性有關。在某些金屬類型中，電子的移動會變得「阻塞」，該金屬因此變成一塊絕緣體；而當電子安居其位時，他們會旋轉形成微小磁鐵，但是極性相反而彼此抵銷磁場。像這樣的材料，被稱之為具有反鐵磁性。

超導體的特性之一是可以阻絕磁場，因而產生磁浮的應用。

新發現的以鐵為主的超導體，就像以銅為主的一樣，看似擁有反鐵磁性；他們也都有一個可供超導「行動」在化學夾層中間產生的平面結構。假如磁力可以存在於非常高的溫度下，那麼就有那麼一丁點大膽假設的希望，可以透過瞭解其運作機制，設計出可在室溫下運作的定製超導體。「也許，也許，也許吧！」細野英夫喃喃道。

要做的還有很多。研究員目前只做出了超導粉末，必須把它們製成在實驗裡更有用處的晶體。以銅為主的超導體很好處理，但是以鐵為主的新材質就需要更繁複的化學處理，還要考量到砷的毒性跟揮發性。今年三月在美國依利諾州阿岡國家實驗室，研究小組開始首度合成新材料的時候，就有個密封的砷管爆炸；雖然無人傷亡，不過有些學者不想要他們的研究生冒險，已不會再跟砷打交道。

不過此時此刻，任何擔憂或疑懼，都比不上高溫超導重新燃起的興奮之情。坎菲德說現在才不過剛起步而已，他們已經把超導溫度增加一倍了。