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當科幻電影成真:室溫超導體最新發現?

文章編輯/許瑞福、陸茗庭

 

你還以為室溫超導體只是一場夢嗎?又或者是你對超導體完全沒有概念?無論你是哪一種人,都該趕緊搭上這個風潮。最近網路上流傳一篇論文:373 K Superconductors,一舉超越過去的極限!

 

什麼是超導體?

 

超導體的概念早就不是新聞,早在1911年荷蘭科學家Heike Onnes用液態冷卻,當溫度下降到4.2KKelvin,溫度計量單位,相當於-269℃)時水銀的電阻完全消失,這種現象稱為超導電性,而此溫度稱為臨界溫度。擁有「電阻幾乎為零」的奇特現象的材質概括稱之為超導體。

 

電阻就是電力在電線中傳輸所受到的阻力,並且會消耗電能、產生熱能(溫度過高就會發生電線走火)。因此以超導體這種「電阻幾乎為零」材料傳輸電能時,不易損耗寶貴的能源,能大幅提升電力與能源的利用效率。然而,目前人類僅能在極低溫的環境產生超導現象,經過科學家們前仆後繼地研究,臨界溫度(Critical Temperature)大幅提升到了-100℃左右,但這仍然離實際應用很遠。

 

除了最重要的零電阻特性外,超導體還有許多奇特的性質,比較貼近生活的應用如磁浮列車。

 

(圖片來源:維基百科)

(圖片來源:維基百科

 

超導體常見的分類可以從材料性質、與磁場的關係或臨界溫度。從材料的臨界溫度來區分,可以分為高溫超導體低溫超導體。(可別誤會了,這裡的高溫指的是相對於絕對零度的高溫,事實上都低於150K,相當於-123℃)

 

超導體與生活

 

目前我們已經能圓滿解釋低溫超導體的運作原理,也就是所謂的BCS理論,然而人類對於高溫超導體的機制仍十分陌生,無法將其廣泛應用到生活當中,特別是將其製作成電線之類的可彎曲線材(目前超導體材質均為硬質,而無法做成電線)。

 

若能將高溫超導體的高溫提升到室溫等級,並且可以製作成線材,將會為人類工業帶來革命性的影響,甚至可以與近年來最夯的半導體與資訊科技產業相提並論。室溫超導體的應用範圍非常廣泛,包括核磁共振、磁浮列車、電力運輸、雷達、高端計算、高性能網路等等,甚至是科幻電影中常見的磁浮車,勢必將為人類文明大來重大衝擊。

 

世紀新發現

 

373 K Superconductors這篇論文指出,他們的實驗團隊已經成功做出室溫超導體(Room temperature superconductor,RTS),臨界溫度高達373K(攝氏100度)。換句話說,在低於沸水溫度的環境當中,他們的超導體都能表現出超導特性(電阻=0),若這份論文屬實,將是人類科技史上的重大突破。

 

(圖片來源:見參考文獻)

(圖片來源:見參考文獻)

 

文中提到他們成功利用室溫超導體觀察到反磁性的特性:將RTS放置在一個磁鐵上時,會有磁浮的現象,也就是目前磁浮列車的原理。至於為甚麼會有磁浮的現象呢?這得用麥斯納效應(Meissner effect)來解釋了(見註一)。

 

 

從下面這張3D圖可以看出,藍色平面(代表磁化率=0)以下的黃色部分代表,當環境符合此座標的溫度及磁場條件,便能表現超導特性。其中重要的地方是,當環境溫度大約落在300K(接近室溫)時,只要給予適當的磁場條件便能觀察到超導現象。

 

(圖片來源:見參考文獻)

(圖片來源:見參考文獻)

 

這項成果有甚麼好處呢?由於超導線圈的電阻為零,因此能夠通過極大的電流而不用擔心毀損的問題,大電流產生極強的磁場(比普通磁鐵高一百倍),這樣的強力磁鐵能運用核磁共振(靈敏度取決於磁場強度)及馬達、發電機中,增加能源運用效率。

 

目前已經有五個團體(見註二),因為研究主題與超導體的材料性質、應用、理論機制有關,而獲得諾貝爾獎,可見科學界對其的重視程度。室溫超導體的出現將會帶起一波風潮,許多產業都深受其影響。可以想見各個國家將投入大量資源,製造出性能優良的超導體材料,並在未來超導體應用方面搶得先機。

 

不過這份論文還沒有將實驗細節公諸於世,距離實際應用也還有一大段距離。若有了成功實驗作為基礎,相信未來人們對超導體的探索將往前邁進一大步。

 

註一:當環境中的磁場強度超過Hc1(較小的臨界磁場),有部份的磁通會穿過超導體(換句話說,這類超導體並非完全抗磁,而是混和態),並在超導體表面產生感應電流,然而穿過的磁通是量子化的,稱為渦漩磁通(vortices)。第二類超導體的發現者Alexei Abriksov認為這些渦漩磁通會互相排斥,進而排列成六角形的晶格,其所造成的磁通釘扎作用是磁性超導體的重要性質,與其臨界電流有關。磁浮現象的成因,正是由於超導體表面的感應電流與外界磁場交互作用產生排斥力。

 

(圖片來源:見參考文獻)

(圖片來源:見參考文獻)

 

註二:

1913年歐尼斯(Kamerlingh-Onnes) 利用液化氦氣對物質在低溫狀態下性質進行研究
1972年巴丁(B. D. Bardeen)、古柏(L. N. Cooper)及施里弗(J. R. Schrieffer) BCS理論超導理
1973年約瑟芬(Brian David Josephson)、江崎玲於奈(Leo Esaki)、和加埃沃(Ivar Giaever)約瑟芬效應
1987年柏諾茲(J. Georg Bednorz)、繆勒(Karl A. Müller) 發現鑭鋇銅氧化物在35 K時有超導轉變
2003年,阿列克謝.阿布里科索夫(Alexei Alexeyevich Abrikosov)、維塔利·金茲堡(Vitaly Lazarevich Ginzburg)、和安東尼.萊格特(Anthony James Leggett)對超導體和超流體領域中的開創性貢獻

 

參考文獻:

  • Ivan Zahariev Kostadinov. (2015). 373 K Superconductors. 

 

About 張 承洋

目前就讀台大電機系,是個興趣使然的作家,喜歡觀察財經、經濟活動,同時也對日新月異的科技發展情有獨鍾。希望自己未來能將所學用於社會,以寫文章的方式分享給大眾!
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