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超導研究突破:在 15℃ 觀測到超導現象

linjunJR
・2020/11/24 ・1482字 ・閱讀時間約 3 分鐘

超導體的神奇性質,一向只有在零下數十或數百度才會現身。就在今年十月,科學家首次在攝氏 15 度的環境下觀察到超導現象,打破了先前的紀錄(零下 23℃)。在尋求室溫超導的世紀大業中,寫下新的篇章。

超導體是什麼?

一般金屬導體(例如銅、銀)的電阻會隨著溫度下降而變小,不過即使在接近絕對零度時,還是會存在一點點的電阻。人們在 1911 年時發現,有些特定的材料被冷卻到一個程度後電阻會驟降為零,也就是超導現象。這時就算不提供任何電壓,超導體也能穩定的維持電流流動,流到天荒地老。實驗上,超導體已經成功讓電流跑了25年,並持續增加中。

除了零電阻之外,超導體的另一項特異功能是完美的抗磁性。一般來說,磁力的影響可以穿透物質,所以磁鐵才能將海報黏在黑板上。不過超導體會將所有意圖通過的磁力線拒於門外,磁力線被迫繞過超導體,使其內部磁通量等於零,此為所謂的邁斯納效應(Meissner Effect)。如果將一小塊磁鐵放在超導體上方,便可以看到它因為排斥的磁力懸浮在空中。

懸浮磁鐵。圖/Wikimedia

怎麼還沒應用在生活中?

超導體的這些夢幻性質能夠全面革新世界的樣貌,從磁浮技術,資料傳輸,到零耗損電力網,都將不再是夢想。然而從 1911 年到現在,這些科幻片中的場景仍未實現,因為超導性質只有在材料低於特定的臨界溫度才會出現,而在實驗上,這個臨界溫度通常約零下兩百多度。

過往,超導現象只發生在極低溫的環境。圖/Wikipedia

要將材料保存在如此低溫的環境可是所費不貲,任何的大型產業應用也因此難以實現,因此,研究能在較高溫度,甚至在常溫下具備超導特性的材料,就顯得格外重要。

尚未理解的高溫超導機制

過往的超導體理論,是透過原子晶格與電子間的交互作用來解釋超導體的存在,在這種解釋下,物質只會在接近絕對零度、原子的熱擾動極小時,產生超導現象。這種理論只能解釋傳統低溫超導體的機制,對於臨界溫度較高的高溫超導體,雖然可以在實驗上觀察到,但至今仍沒有一個公認的理論模型可以解釋。因此,關於高溫超導的實驗與理論,便成為目前科學界努力尋求的大秘寶。

根據一些初步的模型預測,氫分子或許是個潛力股。不過一般的氣態氫是絕緣體,而金屬氫需要極大的壓力才能合成。因此近期常見的嘗試方向是富含氫原子的金屬物質,例如在 2015 年創下臨界溫度紀錄的硫化氫(-70℃),以及將這個紀錄打破的十氫化鑭(-23℃)。

超導特性出現在常溫 15℃!

羅切斯特大學的實驗團隊在今年利用碳、氫和硫元素,合成出含有碳質的硫化氫(carbonaceous sulphur hydride),並觀察它的超導特性。一塊小小的樣本被鑽石壓砧夾住,並施予 270 GPa 的壓力。在這樣的條件下,超導體特有的零電阻與抗磁性在驚人的 15℃ 便突然現身。

實驗團隊介紹。來源/University of Rochester

當然,這樣的實驗成果距離實際的日常應用還有一段距離。碳質氫化硫樣本只有幾微米大,而鑽石壓砧所施加的壓力也只比地核內部壓力少一點。研究團隊接下來計畫持續調整樣本的化學配方,只要配方對了,他們相信正常壓力下的室溫超導體應該指日可待。

參考資料

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