零电阻的超导体取材自陈引干教授成功大学材料科学及工程学系.doc

零電阻超導體
取材自: 陳引幹 教授（成功大學材料科學及工程學系）
[ 零電阻時代超導陶瓷 ]
（科學發展: 3月, 375期, 6～11頁）

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超導體材料是指一種在電流通過時
不會產生電阻材料,
既然電阻為零, 傳輸電能就不會損耗,
所以超導體能够廣泛應用在電子、
能源、 醫療及交通等工業上。

磁懸掛現象（上方為磁鐵, 下方為超導體, 中間完全懸空）

超導現象
19荷蘭物理學家歐尼斯（Heike Kamerlingh Onnes, 1853-1926; winner of the 1913 Nobel Prize in Physics）首先發現「超導現象」, 她利用液態氦冷卻高純度金屬水銀, 發現水銀電阻在絕對溫度 4.15K（等於攝氏零下269度）時忽然降為零, 這個令人驚訝現象便命名為「超導」（superconductivity）。通常常见導電材料為低電阻金屬比如銅、 鋁等, 其電阻係數約為 10-8 歐姆．公尺, 此電阻係數雖然不大, 但仍然會造成大量能源損耗。估計發電廠由金屬電纜傳導到用戶電力, 大約有 6％ 是因電阻而損耗掉。假如能將超導材料應用在電纜、 發電機、 馬達等上面, 代表著能源使用效率大幅提升, 如此應可減少對石化及核能依賴。不过至今工業推廣為何十分緩慢？关键原因就是極低操作溫度（10K 以下）必須使用液態氦來保持超導所需極低溫狀態, 所以造成技術、 費用、 可靠性等方面困難。

超導物質
到现在為止, 被發現含有超導現象物質已超過兩千種, 包含純金屬、 合金、 以及金屬化合物等。至於氧化物陶瓷研究也早在1933年就已經開始, 從一元氧化物 NdO、 二元 WO3, 至1960年以後開始三元氧化物 SrTiO3-x, 但這些陶瓷臨界溫度都低於 30K。直到1987年, 自歐尼斯發現超導現象已過了四分之三個世紀, 朱經武及吳茂昆二位博士所領導研究團隊才開啟了科學史上新頁: 發現了臨界溫度為 90K 以上釔鋇銅氧化物（Y-Ba-Cu-O）。以實用角度來看, 此一發現非常关键, 因為 90K 溫度高於液態氮沸點（77K）, 在空氣中約 80％ 是氮氣, 所以液態氮取得較液態氦轻易且廉价（一公升液態氦約新台幣 800 元, 而一公升液態氮則約 15 元, 再加上設備與氣化熱差異, 有些人粗估成本比可達 200: 1）。此類釔鋇銅氧化物超導體稱為「高溫超導體」, 以與先前「低溫超導體」有所區隔。通常而言, 陶瓷大都是氧化物而且不導電, 所以常做為絕緣材料。不过釔鋇銅氧化物超導體卻同時含有陶瓷特征及超導現象, 所以又稱為「超導陶瓷」。

超導臨界溫度
通常在描述超導體時, 一個关键指標是「臨界溫度」（critical temperature, Tc）, 這是指當逐漸升高到某個溫度時, 超導材料超導現象會忽然消失, 這個溫度即是此材料超導臨界溫度。也就是說超導現象只有在溫度低於Tc時才出現, 高於此溫度則轉變成電阻不為零正常態。
除了溫度能够造成超導態與正常態之間轉換外, 磁場與電流變化亦會造成超導與正常態轉換。所以超導材料在應用上有三個操作限制: 溫度、 磁場及電流, 其臨界值分別稱為臨界溫度（Tc）、 臨界磁場（Hc, 代表材料在超導態情形下所能忍受最大磁場）及臨界電流密度（Jc, 代表單位面積所能流通最大超導電流, 安培／平方公分）。

零電阻
通常而言, 超導態含有「零電阻」與「完全反磁性」兩種現象。超導現象最关键就是「零電阻」, 即完全沒有電阻, 所以, 電流不會有所損耗, 而成為永久電流。通常導體, 電阻是因原子熱振動或晶格缺点等阻礙電流流動所造成; 但在超導狀態下, 自旋相反成對電子組成古柏偶對（Cooper pair）, 這種成對電子在傳導時不受晶格中離子妨礙, 所以形成零電阻現象。為什麼同樣帶負電電子能夠不相互排斥而形成古柏偶對？負負不是應該相斥嗎？為何反而會相吸？巴丁、 古柏和薛瑞佛三人（J. Bardeen, L.N. Cooper, and R.J. Schrieffer）利用量子力學對此做了計算與解釋:
在低溫時, 古柏偶對中兩個電子會藉由帶正電原子核協助, 由相互排斥變為非常弱相互吸引, 使得古柏偶對所以存在。當外在溫度升高、 磁場增強到某臨界值時, 會使古柏偶對遭到破壞, 造成超導現象消失。
不过此理論臨界溫度上限約為 40K, 就现在發現高溫超導體觀之, 此理論或有修正必需。现在, 還沒有任何理論能夠完全解釋高溫超導現象, 科學家對此仍努力不懈, 同時期望能發現更高臨界溫度超導材料。

完全反磁性
超導體內部磁通量為零, 磁力線無法進入超導體, 這個性質又稱為「麥士那效應（Meissner effect）」。這種現象產生過程是:
當超導體放入磁場中時, 超導體和通常導體一樣會產生感應電流, 而超導體電阻為零, 所以只要磁場存在, 電流就能一直流動, 此電流即為「屏蔽電流」。屏蔽電流在超導體周圍產生與外部磁場方向相反磁場, 所以阻擋外部磁場進入。
磁浮現象即是由這個原理產生, 可應用在磁浮火車上。高溫超導體發現之初, 常見諸新聞報導, 以一小磁鐵「穩定地」磁浮在浸泡有液態氮高溫超導體之上, 以顯示超導體所含有獨特「反磁效應」或「麥士那效應」。

低溫超導應用
现在低溫超導材料應用, 大致有「線材或帶材」與「薄膜」兩大類。 線材或帶材已经有許多應用, 关键是利用超導零電阻現象產生超高磁場及傳輸電流。比如核磁共振掃描（magnetic resonance image, MRI）及核磁共振（nuclear magnetic resonance, NMR）。日本超導磁浮列車所用超強磁鐵, 就是使用低溫超導線材所製作超導線圈。
薄膜: 超導電子對能够穿隧大約奈米厚絕緣層現象, 就是所謂「約瑟芬穿隧效應（Josephson Tunneling）」。用超導薄膜能够將約瑟芬穿隧效應應用在各類電子或磁性感測元件上, 比如超導量子干涉磁量儀（superconducting quantum interference device, SQUID）就是一種能夠偵測極低磁場感測器, 以量測材料磁性, 也用來探測地下礦物資源。在生物醫學上應用亦正積極研發中, 特別是腦磁計, 可分析腦神經傳輸與反應, 甚至思索過程。
1988年, 吳茂昆博士與其領導研究團隊首先發現, 在高溫超導體材料改善後, 會產生所謂「磁懸掛」現象。亦即磁鐵不僅能够浮於超導體之上, 也能够完全沒有接觸, 而懸掛在超導體之下, 猶如懸浮在半空中。吳博士曾戲稱這是「姜太公釣魚, 離水三尺」效應。這種穩定磁浮與磁懸掛現象是自然界所僅見。

超導體遠景
最少已经有五個以上研究團體因為超導體相關現象、 理論、 材料等研究突破而獲得諾貝爾獎。因為高溫超導材料對於未來電力傳輸、 高效率馬達、 發電機、 醫療診斷設備、 微波通訊、 高速電腦、 磁浮列車、 能量儲蓄轉換等產業, 含有革命性影響, 全球各工業先進國家莫不以製成優異性能超導體材料為其研究發展目標, 以期在未來高溫超導材料應用工業上占有領先地位。而且, 高溫超導體發展歷史不過十多年, 未來發展仍有相當大空間。部分專家甚至認為超導體未來能够媲美半導體與雷射科技對電子與資訊產業影響, 許多新應用也將逐步實現。國內為推廣高溫超導科技, 已成立一個網站: .org, 提供相關資訊, 有興趣可上網參考。

回复以下問題…
1.（ ）下列首先發現「超導現象」科學家？
（A）歐尼斯（B）朱經武（C）李遠哲（D）吳茂昆。
2.（ ）超導材料應用至今在工業推廣仍十分緩慢, 其关键原因為何？（A）此科技屬於最高機密, 各國無技術間之轉移（B）超導狀態需保持在極低溫下, 造成應用之困難（C）沒有受到國家重視（D）因為缺乏資金。
3.（ ）以下關於「釔鋇銅氧化物超導體」敘述何者錯誤？（A）臨界溫度為 90K 以上（B）稱為「高溫超導體」（C）又稱為「超導陶瓷」（D）能在室溫下呈現超導現象。
4.（ ）下列何者不屬於超導材料在應用上操作限制？
（A）溫度（B）磁場（C）質量（D）電流。
5.（ ）下列何者不屬於超導體所呈現現象？（A）「磁懸掛」現象（B）「麥士那效應」（C）「零電阻」（D）熱效應。

[參考答案]
1. A
2. B
3. D
4. C
5. D