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從電力傳輸到磁浮列車,超導體的未來研發趨勢在哪裡?

「超導體,我研究了一輩子!」電力傳輸、儲能系統、醫療設備、微波通訊、磁浮列車······你知道都能運用超導體技術嗎?隨著科學界對超導體相關現象的理解越來越深,以及「高溫超導」的發現,超導材料將在生活中扮演不可或缺的角色。本文專訪中研院吳茂昆院士,聊聊超導體目前的進展及未來。

這不是魔法,而是超導體(Superconductor)的完全反磁現象。圖中是一高溫超導體懸浮在磁鐵之下。 圖片來源/吳茂昆提供

超導體:永久電流、完全反磁

超導材料是指當溫度低於某個程度,該材料就會顯現出超導現象。超導現象主要會呈現兩大特性:一個是「電阻為零」,即電流在超導體內部流動時,不會有損耗而能一直流通,成為永久的電流;另一則是「完全反磁現象」,若外加磁場在超導體上,超導體會排除磁場,使磁力線完全不能通過。

超導體自發現以來就被視為極為有發展潛力的科學現象,但早期發現的超導材料如水銀(Hg)、鉛(Pb)、錫(Sn)等超導臨界溫度都低於攝氏零下 260 度,經過科學家幾十年的努力,只將溫度提升了 10 度左右,超導體的研究開始陷入泥淖。

但就在 1986 年, IBM 發現了一種氧化物超導臨界溫度為零下 238 度,相關研究又開始有了進展。隔年,朱經武與吳茂昆團隊發現了「釔鋇銅氧的氧化物」擁有超導特性,震驚了世界!

吳茂昆團隊於 1987 年發現的「釔鋇銅氧的氧化物」,超導形成溫度高於氮的沸點(氮在空氣中佔了 78%)。從此以後,科學家研究超導現象就可使用量多且便宜的液態氮來冷卻。 資料來源:〈高溫超導的鐵器時代─從「銅基超導」到「鐵基超導」〉,作者:吳茂昆。圖說重製/柯旂、張語辰

2008 年時,吳茂昆團隊又發現硒化鐵(FeSe)擁有超導特性,此鐵─硫族系統在製程上較簡易,且毒性相比其他超導材料較低,生物相容性也較高,在應用前景上非常被看好。而更有趣的是,近年來吳茂昆團隊發現鐵硒材料中「鐵的空缺」是開啟超導關鍵的因素之一。

超導體的最新研究趨勢

Q:科學家對「超導體」最新的理解是?
A:目前超導材料有兩個主要的系統:一個是以銅氧化物為主體的,像是我們在 1987 年發現的「釔鋇銅氧的氧化物」,一個是用鐵取代銅的化合物。

銅的氧化物是目前被探究、應用最多的超導材料,很多的元件,包括「超導電纜」都被做出來了,推出於市面指日可待。

由於超導體「零電阻」的特性,使用超導電性傳輸電流將不會有損耗。 資料來源:TED x Taipei ─ 熱情點燃超導體,講者:吳茂昆(影片)。圖說重製/柯旂、張語辰

一般來說我們熟知的氧化物像陶瓷材料等等應該是不導電的,因此這個銅氧化物導電的機制跟一般金屬是不同的,當然它還是以電子電洞來帶動電流,但是電子離子如何引進來、如何運作,這是目前重要的課題,科學家稱這個為「強關聯電子體系(Strongly correlated electronic systems)」,在超導材料中,電子跟電子的交互作用是非常強的。

另一個重要的體系則是用鐵取代銅,成為全新的超導材料架構,像我們最近的研究就發現「鐵」跟「硫化物」形成的化合物也出現了有趣的超導現象,雖然這個體系的超導臨界溫度沒有很高,但是因為結構較簡單,讓我們更加了解超導產生的機制。

「室溫超導」從學理上來看是存在的,問題是存在於什麼樣的材料體系和架構中,現在全球科學家們都還在研究。

Q:團隊的超導體研究,有看見什麼有趣的事嗎?
A:我們自 2008 年發現「鐵硒超導」後,那就成為團隊的重點研究項目之一,當然銅氧化物方面我們也在跟其他團隊合作超導線的應用等等,但科學上重點放在鐵硒相關系統。

雖然「鐵硒超導」架構簡單,但我們發現到鐵跟硒形成的平面體中,很容易出現鐵有空缺的架構,比如說我們目前最常見的是,每四個鐵排列後,第五個鐵就空缺了,然後再重複同樣結構。

鐵硒超導的原子排列圖。鐵硒形成的二維平面結構中,「鐵的空缺」是超導特性的關鍵產生因素之一。 資料來源:吳茂昆提供。

β-Fe4Se5(一種鐵硒超導)的單晶結構示意圖,綠色是鐵原子,粉紅色是硒原子,可以看出鐵原子有規律的空缺。 資料來源:〈高溫超導的鐵器時代─從「銅基超導」到「鐵基超導」〉,作者:吳茂昆。

我們用一些方法來操控鐵空缺的排列,例如控制壓力、控制溫度(急速降溫),發現鐵空缺跟超導的形成是有關係的,同時這個結果也可以用來解釋銅氧化物的一些機制。這也衍伸了我們未來的研究,去尋找有鐵空缺特性的過渡金屬,看有沒有機會形成超導體。

圖 (a) 為K2Fe4Se5的電阻與溫度關係圖,顯示鐵空位呈有序態時材料在低溫呈現金屬至絶緣的轉變。藍色曲線是在攝氏 300 度退火的電阻率隨溫度變化圖。紅色曲線是相同樣品經過攝氏 750 度退火,顯示電阻率明顯下降。 圖 (b)(c) 為添加少量鐵的 K2Fe4+xSe5 (x=0.1, 0.2) 經高溫退火並快速降溫材料的電阻與溫度關係圖,明顯在低溫呈現超導性(呈現零電阻狀態)。 圖 (d)(e)(f) 為樣品的磁化率與溫度關係。 (f) 明確顯示其抗磁性(超導性)之強弱與燒退火溫度的相關性。 資料來源:〈高溫超導的鐵器時代─從「銅基超導」到「鐵基超導」〉,作者:吳茂昆

超導體能成為夏季限電的解方嗎?

Q:台灣夏天會面臨的限電難題,超導體是否能有助解決?
A:目前我們使用傳輸電力的銅線,傳輸時會有 10% 左右的電力損耗,特別是台灣有很多老舊的線路,若改用零電阻的「超導電線」,就可以避免那 10% 耗電,讓被浪費掉的電成為可運用的電。

另一個概念則是「超導體儲能器」。電是很難儲存的,目前我們主要是靠水庫儲電,能儲存的電力有限。但若用超導材料繞成線圈,由於零電阻,電流會永久流動,產生的磁場就是一種能量,我們可以把太陽能發電及風能發電儲存在裡面,要使用時再拿出來用。

運用超導材料繞成線圈的儲能器,運用零電阻的優勢,可以將再生能源發出多餘的電力儲存在裡面,需要時再拿出來使用。 資料來源:Why the wind industry should cheer superconductivity;圖說重製/柯旂、張語辰

另外,也可運用「超導馬達」做成風力發電機,由於超導磁場較強,尺寸可以做比較小、噪音也比較小。我們有個構想,若能用超導馬達做個小型風力發電機,然後運用超導儲能器儲能,就能放在中研院運用、展示。

Q:台灣在超導體領域領先全球的地方為何?
A:由於我們發現了「鐵硒超導材料」,所以這塊以及「鐵空缺」的概念算是有一部分領先的,不過科學也很難說誰領先誰落後,各有千秋,但是基本上我們在這領域不是落後別人就是了。

從七星潭邊的物理少年,到超導物理專家

研究超導體一輩子的吳茂昆,最喜歡讀武俠小說,可以在幻想的世界中翱翔,讓思考不受侷限。 攝影/張語辰

Q:什麼時候開始對「物理」產生興趣?
A:我們那個年代的小孩子主要是受到楊振寧和李政道的影響,唸小學時聽學校廣播他們拿諾貝爾獎,那時候我也搞不懂什麼是諾貝爾獎,但就是激起了對科學的熱情(笑)。

至於為什麼會選擇研究「超導體」,大四時學校有門課是讓同學自己選個主題去了解,我有個同學選了超導,他跟我聊了超導體後,我發現這門學問真有趣,所以後來唸研究所就決定研究超導體,一讀就是一輩子。

其實我的學術生涯算很順利,也還蠻平淡的,但是有很多興奮的發現,很有成就感,其實我算是很幸運的人。

雖然做研究要靠一點運氣,也要看一個人有沒有足夠的知識準備,當實驗過程中看到一些現象,能不能把握住。

 

Q:1987 年發現「釔鋇銅氧」有超導特性時,是什麼心情?
A:那種感覺很難用言語形容,我在猜可能跟中樂透的人心情很像,不過我是沒有中過樂透(笑)。

但是得到錢的感覺,跟科學上發現新東西還是不同的。我們夢想了很久的東西,沒想到就突然出現了,這是對科學發展有貢獻而獲得的快樂,我覺得從事研究工作最大的回報是這個。我讀博士班時,第一次將材料變成有超導性質也獲得了這種類似的快樂。

Q:會不會覺得現在研究物理比以前方便多了?
A:現在當然是方便很多,不過我覺得以前算是很好的訓練,順練如何在圖書館查資料,如何從一大本目錄中去查論文,利用有限的資源去尋找需要的資料。

以前確實是很辛苦,但是方便也有方便的壞處,我就唸過我們實驗室的學生,不要把機器架好、電腦打開,用自動控制去搜集數據,就去睡一覺隔天再回來看結果,這樣會有個缺失。

當實驗數據某個時刻發生變化,你隔天才看結果,會不清楚這是因為環境變化?還是一個重要的材料特性訊號?

沒有在第一時間看到實驗變化的話,會降低對數據的掌握度及靈敏度。我還是鼓勵測量時要盡量即時去觀察數據的情況。

Q:從小在花蓮成長的經驗,對研究生涯有沒有影響?
A:由於生長在花蓮,生活比較悠閒,學生也不多,老師給的壓力也不大,讓我能夠自由發揮,自由涉獵知識,不會說為了升學就什麼不准做,這讓我的思維比較不受限制。

吳茂昆回憶,當年讀花蓮高中時沒有圍牆,中午休息時大家都跑到學校邊的太平洋岸,和大自然沒有距離。因為熟悉自然界的運作,學物理時就有助於理解物理規則,而非死背定律。

吳茂昆回憶,當年讀花蓮高中時沒有圍牆,中午休息時大家都跑到學校邊的太平洋岸,和大自然沒有距離。因為熟悉自然界的運作,學物理時就有助於理解物理規則,而非死背定律。圖/billy1125@Flickr

在研究科學中,這點其實很重要,不要被某個理論、某個框框鎖在裡面。我覺得這也是教一個小孩比較好的方式,給他一個環境,讓他自由地發揮。

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本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

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