研究：摻水的石墨薄片在高溫下展現超導特性

本文轉載自中央研究院「研之有物」，為「中研院廣告」

• 採訪撰文｜張琬婷
• 責任編輯｜簡克志
• 美術編輯｜蔡宛潔

水能被擠壓成冰？

水在攝氏零度以下會結冰。然而，當水被擠壓到極限時，會形成二維的奈米薄冰，不僅室溫下穩定存在，還有從未見過的鐵電特性（Ferroelectricity），而石墨烯則是實現這種擠壓條件的關鍵。中央研究院「研之有物」專訪院內原子與分子科學研究所的謝雅萍副研究員，她與我們分享了實驗室如何意外發現這層特殊的二維薄冰，以及團隊如何利用二維薄冰的鐵電特性製作有記憶電阻功能的奈米元件，研究成果發表在科學期刊《自然通訊》（Nature Communications）。

奈米尺度下，物質特性會跟著改變？

謝雅萍的主要研究題目之一就是合成新穎的二維材料，這是奈米科技的領域。奈米是什麼？奈米（nanometer）是長度單位，即 10^-9 公尺，一根頭髮的直徑長度約為 1 奈米的十萬倍。奈米尺度之下，很多物質的特性會隨之改變，最常見的例子是「蓮花效應」，因為蓮花葉上具有奈米等級的表面結構，為蓮葉賦予了疏水與自我清潔的特性，髒污與水珠都不易附著在蓮葉上。

奈米材料（nanomaterial）是指三維尺寸的材料，至少有一個維度的尺寸小於 100 奈米。只縮小一維，就是平面的二維材料（2D），例如石墨烯；縮小兩個維度，就是奈米線（1D）；三維都縮小，就是零維的奈米顆粒（0D）。

奈米科技（nanotechnology）的概念最早可追溯到 1959 年美國物理學家理查費曼（Richard Feynman）在演講中提出的願景「為什麼我們不能把大英百科全書全部寫在一根針頭上呢？」。1974 年日本科學家谷口紀男則是首度創造「奈米科技」這個詞的人，他認為奈米科技包括原子與分子層次的分離、固定與變形。

過去有不少科學家嘗試奈米材料的研發，但受限於製造技術不成熟，而無法順利製作出精細製程的奈米材料。1981 年，在掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope, STM）發明之後，不僅有助於材料的微觀分析，操縱單個原子和分子也成為可能，奈米科技也逐漸實現。

無處不在的奈米科技？

我們生活周遭的奈米科技俯拾即是，從大賣場商品到半導體產業的電子元件都有。謝雅萍舉例：防曬霜之所以是白色，是因為裡面有二氧化鈦的奈米顆粒；許多塗料與噴漆亦會以奈米添加物，來增進耐蝕、耐磨、抗菌與除汙的特性，例如汽車鍍膜或奈米光觸媒；羽球拍或牙醫補牙會使用奈米樹脂，讓球拍和補牙結構更堅固。

至於半導體產業，奈米科技更是關鍵。透過縮小元件尺寸以及調整奈米元件的幾何形狀，以便於在單一晶片上乘載更多電晶體。「當今的電晶體大小皆是奈米等級，製作電子元件就等同在處理奈米科技的問題」，謝雅萍說道。

實驗中的難題，反而促成驚奇發現？

鐵電性是什麼？二維奈米薄冰有哪些可能的應用方式？

對謝雅萍來說，發現二維的奈米薄冰是個意外的驚喜。最初謝雅萍團隊其實是要製作以石墨烯為電極的開關，畢竟石墨烯是實驗室的主要研究項目，理論上當兩層石墨烯很靠近時，分別給予兩端電壓會是導通的「ON」狀態，沒電時就是斷開的「OFF」狀態。

然而，實驗過程中團隊卻發現當電壓為零時，石墨烯開關仍會導通，甚至要給予負電壓時才會成為 OFF 狀態。這個奇特的現象讓研究團隊苦惱許久，嘗試思考了各種可能性，但都無法完善的說明此現象。

「原本以為實現石墨烯開關應該是一件能夠很快完成的題目，沒想到過程中卻出現了這個意料之外的難題，因此這個研究比預期多花了一兩年」，謝雅萍無奈地笑道。

靈感總是突如其來，某次謝雅萍在與朋友討論研究時，突然想到一個可能的方向：「一直以來都有人猜測水是否為鐵電材料，但都沒有真正證實。臺灣氣候潮濕，開關關不緊會不會就是水的影響？」

設計實驗跑下去之後，謝雅萍團隊終於擺脫了一直以來的疑雲。原來，兩層石墨烯結構中，真的有水分子的存在！「一般水分子用手去捏，還是會維持液體的狀態。但是我們發現，當水被兩層石墨烯擠壓到剩下原子厚度時，水分子就會變成具有鐵電特性的二維薄冰！」，謝雅萍開心地說道。

換句話說，當極限擠壓之下，水會結成冰，而這層超薄的平面奈米薄冰會轉變成鐵電材料，而且可以在室溫下穩定存在！

鐵電材料乍聽之下很抽象，謝雅萍表示：「相較於會吸磁鐵的鐵磁材料，大多數人對鐵電材料比較不熟悉，其實概念十分相似」。她說，鐵磁材料經過外加磁場的「磁化」之後，即使不加磁場仍可維持原本的磁性。相對地，鐵電材料經過外加電場的「極化」之後，即使不加電場仍可維持原本的電荷極化方向。

謝雅萍團隊發現的二維冰具有鐵電性，這意味著水分子的正負極在外加電場之下會整齊排列，形成一個永久的電偶極，並且在電場消失後保持不變。

接著，謝雅萍發現，二維冰的鐵電性只存在於單層原子，增加多層原子之後，鐵電性會消失，變成普通的冰，這是因為多層原子的交互作用會打亂原本的極化排列。因此研究團隊發現的二維冰，是非常特殊的固態水，不是手搖飲加的冰塊那麼簡單。

因為石墨烯的擠壓和固定，二維冰可以在室溫下穩定存在，不會蒸發。謝雅萍團隊實驗發現，要升溫到攝氏 80 度，被夾住的二維冰才會變成水。如此大範圍的操作溫度，這讓謝雅萍開始思考將二維冰作為鐵電材料使用的可能性。

於是，謝雅萍團隊嘗試開發新型的電子元件，他們將二維冰與石墨烯整合成機械式的奈米開關。由於二維冰具有鐵電特性，在施加不同外加電壓之後，元件可以維持上次操作的電阻值，並保留至下次操作，有這種特性的元件稱為「憶阻器」（memristor）。

憶阻器這個詞是由記憶體（memory）與電阻（resistor）組合而成，字面上的解釋便是：具備記憶先前電阻值的能力。

謝雅萍表示：「我們可以藉由不同的外加大電壓寫入電阻值，再以微小電壓讀取之前的電阻值，允許快速存取」。而單獨一個二維冰奈米開關可以記住 4 個位元的資料，具備未來記憶體的發展潛能。

此外，二維冰奈米開關也是很好的開關裝置，團隊驗證導通電流和截止電流的比值可以達到 100 萬，開路和斷路的功能極佳，並且允許雙向操作。而開關的功能經過 1 萬次循環還不會衰減，相當穩定。

謝雅萍團隊是全世界第一個證實二維薄冰鐵電性的團隊，並實現第一個以石墨烯為架構的二維冰機械式憶阻器。她的團隊將往新穎二維材料的方向繼續邁進，目前實驗室有和台積電（TSMC）合作，希望透過產學合作，將更多奈米技術的應用落地實現。

與二維材料實驗的相遇？

謝雅萍目前除了是中研院原分所的副研究員，同時也是國立臺灣大學 MY Lab 實驗室的共同主持人，她和人生伴侶 Mario Hofmann 教授共同指導的 MY Lab 發揮了 1+1>2 的效果，創意與想法的激盪和交流，是產生傑出研究的關鍵。

回到碩博士時期，謝雅萍都在臺大物理所，鑽研材料的光電性質與新穎光電元件的機制。她回憶：「當時我們都要向化學系要材料，他們給什麼我們就得用什麼，但難以了解整個材料製造的細節。」後來她體認到，擁有製造材料的調控能力才能真正突破元件設計上的侷限。

謝雅萍在博士班時申請到了千里馬計畫，讓臺灣博士生獲得國科會補助前往國外頂尖研究機構，進行為期約半年至一年的研究。「我認為這個計畫非常好，也可以幫助學生建立重要人脈！」在指導教授引薦下，謝雅萍因緣際會進入美國麻省理工學院（MIT）的二維材料實驗室，自此與二維材料結下不解之緣，她認為：「好材料與好元件是相輔相成的，前瞻材料更是如此。」

「我到了 MIT 之後，深刻體悟到他們做研究的態度與臺灣學生的不同。臺灣學生像是把研究當作一份工作，然而我在 MIT 時就感受到他們學生對於自身研究的熱忱。討論風氣也非常盛行，學生之間會互相分享自己的研究內容，互相幫忙思考、激盪出新想法」，謝雅萍分享自己在 MIT 時期的觀察。

當年二維材料還在萌芽階段，她所在的 MIT 實驗室已是此領域的佼佼者，她也因此立下了目標：「希望未來我有能力時，能夠自己掌控自己的材料做出好元件！」如今，謝雅萍正走在自己目標的道路上，過去認識的朋友也都是各頂尖大學的二維材料實驗室主持人，直到現在都還會互相幫忙。

從物理到二維材料，身處這些男性為主的學術環境，謝雅萍顯得自在，而且積極參與討論和交流。「我發現女科學人會把自己變得較中性，讓自己融入整個以男性居多的環境中，才不會在團體中有突兀的感覺」，她分享道。

謝雅萍的實驗室 MY Lab，是與臺大物理系 Mario Hofmann 教授共同主持的奈米科技實驗室，他們除了是工作上的夥伴，更是人生中的最佳拍檔！當初兩人就是在美國麻省理工大學 MIT 相識，再一起回到臺灣。

讓「研之有物」團隊好奇的是：這種共同主持的模式與一般實驗室相比，是否有特別之處？

「從多個面向而論，我認為都是 1+1>2 的」，謝雅萍說道，「實驗室會有兩倍的資源、儀器、計畫與兩倍的人脈。遇到一個題目，兩個人思考時會從不同的觀點切入。即便是夫妻，我們在研究上看的面向也都不一樣，因此可以激盪出許多有趣的想法」。

她補充，不僅對實驗室本身而言，對學生也有很大的好處，「因為學生的研究必須同時說服我們兩個人，代表學生的研究成果會非常扎實，也可以為學生帶來信心。」重要的是，「學生也會得到兩倍的照顧與關愛，我覺得我們的學生是蠻幸福的」，謝雅萍笑笑地說。

• 作者／王立民
  • 臺灣大學物理學系教授，主要研究領域包括超導物理、高溫超導電子元件等

• Take Home Message
  • 今（2023）年 7 月 27 日，韓國研究團隊宣稱他們發現一種在常溫常壓下能產生超導體性質的材料「LK-99」。
  • 筆者團隊在實驗室中合成了 LK-99 樣品，並觀察到此樣品在常溫時呈現出抗磁性性質，但不具有超導體的完全抗磁特性。
  • LK-99 樣品具有半導體的導電特性，在 390 K 也有電阻急遽下降的變化，但應為樣品內含的硫化亞銅所致，因此僅可被視為一種具抗磁性半導體材料。

一直以來，實現「室溫超導體」就是人類的夢想。今（2023）年 7 月 27 日，來自韓國的研究團隊宣稱發現一種在常溫常壓下能產生超導體性質的材料「LK-99」，隨即引起全世界的振奮與轟動。

此外，在理論計算上也顯示 LK-99 在適當的摻雜與晶格排列下，具有表現超導性的可能。

幾天後，美國勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL）的研究員格里芬（Sinéad Griffin）也指出，透過超級電腦的計算模擬顯示，當銅原子（copper, Cu）滲透到晶格中的路徑處於適當的條件和位置——特別是取代某一個鉛原子（lead, Pb）的特殊位置時——它們就能夠具有超導的共同特徵。

這是首篇證實 LK-99 理論上可行的論文，更帶動了能源科技公司美國超導體（American Superconductor Corporation, AMSC）的股價在收盤前暴漲。緊接著其他以密度泛函理論（density functional theory, DFT）計算 LK-99 的能帶結構也被提出，作者們普遍認為銅的摻雜引起了「從絕緣體到導體」的轉變，並大膽推斷 LK-99 可能具有超導特性。

然而，各國間許多以實驗工作為主的研究團隊試圖復現韓國研究團隊 LK-99 的結果，卻未能證實 LK-99 是室溫超導體，國際團隊的實驗均顯示它僅是具抗磁性的半導體材料。

在各國紛紛設法復刻韓國團隊的研究時，筆者實驗室也立刻緊鑼密鼓加入，期望驗證這項被宣稱為「世紀大發現」的研究真實性。

超導的「迷」與「謎」

為了解這次室溫超導的真相，我們不得不先從現今超導的研究開始談起。

超導迷人之處不僅在於學術上的奇妙物理相變化，更在實際應用中展現出它獨特的性質——零電阻與完全抗磁性。這幾項特質在電力傳輸、交通、軍事、能源、量子科技等領域中，都具有相當多的應用價值。

然而自 1911 年荷蘭物理學家歐尼斯（Heike Onnes）發現「汞」（mercury, Hg）在 4.2 K（Kelvin，克耳文）的溫度下會呈現超導特性，成為第一個超導材料以來，歷經 75 年人們發現的最高超導溫度僅有 23 K 的鈮鍺化合物（niobium-germanium）。

1986 年，瑞士物理學家米勒（Karl Alexander Müller）及德國物理學家比得諾茲（Johannes Georg Bednor）發現銅氧化合物超導體（又稱高溫超導體），並於 1987 年獲得諾貝爾物理獎。

同年，中央研究院院士吳茂昆與朱經武也發現超導溫度約 90K 的釔鋇銅氧（YBCO）超導體，它的超導溫度已突破應用液態氮 77 K 的溫度障壘。

而迄今為止，常壓下超導溫度最高的是在 1993 年發現的汞鋇鈣銅氧（HBCCO）超導體，約為 135 K。

在理論的發展上，1957 年三位美國物理學家施里弗（John Schrieffer）、巴丁（John Bardeen）、古柏（Leon Cooper）提出 BCS 理論（Bardeen–Cooper–Schrieffer theory, BCS theory），解釋了出現於 1986 年以前的「低溫超導體」（或稱傳統超導體）的超導行為，例如同位素效應。然而公認能解釋高溫超導性的理論仍付之闕如，BCS 理論預期的超導上限溫度僅 40 K 左右。

多年來，人們也嘗試提高超導溫度，常用的手法是利用高壓，如在百萬大氣壓下一些含氫化合物將呈現近室溫的超導性，但這些方法其實對超導的理論或實驗研究不具任何意義。

因為根據基本理論，當外加壓力無限大時，超導臨界溫度（T_c）當然可以無限提高。所以具有重大意義的室溫超導，必須是在常壓下出現超導特性的材料，這也是韓國團隊宣稱 LK-99 為常溫常壓超導對科學界帶來震撼的原因。

如何檢驗材料的超導特性？

如前所述，超導具有零電阻與完全抗磁的特性，因此一項材料超導特性的驗證基本上需經由電阻與磁性的量測來確認（若加上比熱量測則會更完整）。以筆者實驗室裡用磁控濺鍍技術所成長的高溫超導 YBCO 薄膜為例，圖一（a）為量測此材料電阻率（ρ）比值隨溫度（ρ/ρ100 K− T）變化的關係（以 100 K 為基準），可以看到當溫度降至大約 88 K 時，YBCO 薄膜的電阻急速下降至近零電阻（儀表偵測極限）狀態。

而在磁性的量測，則利用超導量子干涉磁量儀（SQUID magnetometer）量測 YBCO 薄膜在零磁冷卻（zero-field cooling, ZFC）與磁冷卻（field-cooling, FC）下的磁化強度（magnetization, M）隨溫度變化的關係。

之所以需量測 ZFC 與 FC 曲線，是為了確認超導的磁通釘扎（magnetic flux pinning）效應，也就是磁力線在超導體內部低位能區的束縛狀態（可由 FC 曲線觀察此現象），而此效應也是所謂「第二類超導體」^註的特徵之一。

另外，若材料本身為完全無雜質存在的「百分之百超導體」，則它的磁化率（χ，定義為 M/H，H 為外加磁場強度）在 ZFC 低溫下則是完美的 -1 值（為超導體的邁斯納效應）。

相對地若材料本身只含有部分超導材料，混合了某些非超導材料，則 χ 雖仍為負值但卻會小於 1，且對應材料中超導成分所占的體積比率。因此透過磁性 ZFC、FC 的量測可以精確地定性與定量一項材料的超導特性。

如圖一（b）所示，此為量測 YBCO 薄膜在外加磁場 5 Oe（oersted，奧斯特）下 ZFC、FC 磁化率 χ 隨溫度變化的關係。圖中可以看到 YBCO 薄膜在低溫 2 K 下 ZFC 的 χ 值為 -1，顯示它完美的抗磁性，且 ZFC 與 FC 曲線分離也顯示樣品中存在著磁通釘扎效應。

另一種大家熟知、直觀的超導現象即為磁浮實驗。圖一（a）左上角的照片便是利用筆者實驗室自行成長的大塊 YBCO 單晶（黑色），在液態氮冷卻下的磁浮實驗照片。

圖中可清楚看到磁鐵飄浮於 YBCO 晶體上方，但此處需強調的是——一項材料並不是具磁浮現象就可斷言為超導體，例如因具有高抗磁性而可產生磁浮現象的熱解碳（pyrolytic carbon），就是一種具磁浮現象但並非超導體的例子。因此，超導特性的檢驗仍須以嚴謹的電性與磁性測量為檢驗標準。

驗證 LK-99 是否為超導體

依據韓國團隊在論文中揭露的 LK-99（化學成分為 Pb₉Cu(PO₄)₆O）合成方法，此材料的技術門檻不高，從原料到成品僅需數天即可完成。

首先根據文獻，我們合成的 LK-99 樣品外觀與顏色與其他團隊結果無異（圖二右上角），圖二為合成 LK-99 樣品的 X 光繞射圖（X-ray diffractometer, XRD）。此結果同樣與韓國等團隊所呈現的結果差異不大，均顯示其中的成分組成並非單純化合物，尤其是其中出現銅－硫化合物的「雜相」，意味著在對 LK-99 的特性量測與下定論時需格外小心。

圖三（a）為筆者實驗室合成的 LK-99 樣品在外加磁場 200 Oe 下的磁化強度量測結果，顯示 LK-99 在室溫（約 300 K）下具抗磁性，但換算磁化率則極低，約為 10^-4 左右。我們觀察到 LK-99 的 ZFC、FC 與韓國研究團隊公開的數據類似，也觀察到類似第二類超導體 ZFC 與 FC 曲線的分離，但這可能是因樣品中存在著具有磁通釘扎效應的雜質，才會造成它在低溫（10 K）以下呈現磁矩反轉成大於零的順磁性。

圖三（b）則為筆者實驗室製作的 LK-99 樣品電阻率隨溫度變化的關係圖，樣品在常溫以下呈現半導體的導電行為，特別是在溫度約 390 K 觀察到電阻急遽降低的情形，類似韓國團隊宣稱的在約 378 K 出現超導零電阻現象。

然而，已有中國科學院研究團隊的實驗結果表明，此超導現象可能是由於合成方法產生的副產物硫化亞銅所引起，硫化亞銅已知會在 377 K 出現結構相轉變並伴隨電阻急遽下降。而 LK-99 樣品在以能量色散光譜（energy-dispersive-spectroscopy）元素分析後也能觀察到硫元素的存在，與 X 光繞射的結果吻合。

因此，我們在實驗室中觀察到 LK-99 樣品在溫度約 390 K 時電阻急遽降低的現象，推論應為硫化亞銅所致，與超導無關。

並非室溫超導體的 LK-99

根據韓國團隊所發表的合成方法，我們複製出室溫超導 LK-99 樣品。在磁性測量部分，顯示 LK-99 在室溫為抗磁性物質，但不具超導的完全抗磁特性。

電性測量則顯示 LK-99 具有半導體導電特性，在 390 K 也有電阻急遽下降的變化，但應為樣品內含的硫化亞銅所致，與超導零電阻行為無關。因此，LK-99 僅可被視為一種抗磁性半導體材料，此結論與許多國際團隊的結果一致。在今年 8 月中旬，知名期刊《自然》（Nature）甚至刊出一篇文章直指「LK-99 不是超導體」。

LK-99 的認證實驗仍有待各國（包含韓國國內）其他團隊持續進行，尋找室溫超導之路仍然漫長。

感謝臺灣大學及國科會在研究資源的支持，以及中興大學物理系教授吳秋賢、東海大學物理系教授王昌仁及時找到元素磷，使復現實驗得以立刻進行。

也感謝實驗室團員的努力，使實驗室得以早日揭露 LK-99 真相，相關結果將整理以期刊正式發表。

註解

在超導狀態下，第一類超導體在超導臨界磁場（H_c）以下時呈現完全抗磁狀態（邁斯納效應，Meissner effect）。第二類超導體則呈現兩個臨界磁場：下臨界磁場（H_c1）與上臨界磁場（H_c2），磁場在小於H_c1下為完全抗磁性的狀態；磁場介於 H_c1 與 H_c2 之間時，部分磁力線可以進入超導體內部，呈現非完全抗磁性的混合態。

• 〈本文選自《科學月刊》2023 年 10 月號〉
• 科學月刊／在一個資訊不值錢的時代中，試圖緊握那知識餘溫外，也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。

2023 年 7 月 23 日，來自南韓的研究團隊發表了《The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor》，宣示著世界上第一個室溫常壓超導體被成功發明。文章剛刊登到 arXiv 上，便掀起了全球各地的研究熱潮，不少媒體競相報導，科技市場、各種概念股也沸騰著。那麼，「室溫超導體」究竟是何方神聖？

超導體——能源損耗的救星？

相信大家對於這個詞並不陌生、卻又不甚熟悉。在中學時代理化課，我們接觸過「導體」這個詞；在關注科技業或者財經新聞時，可能接觸過「半導體」這個詞。而「超導體」（superconductor）究竟是什麼？

首先，「超導」是一種物理性質，在距今大概一百多年前便被發現。最早可以追溯到 1911 年，科學家發現：將汞（水銀）透過液態氦冷卻至 4.2 K（相當於 -268.95 °C）時，電阻將完全消失，這便是「超導現象」的開端。因此，「低溫」似乎是開啟新世界的一把鑰匙。而電阻消失有什麼幫助？

事實上，我們生活周遭的一切都是在無窮的損耗中進行的，以電子產品和通訊設備為例，這些電路元件與器材的運作源於電流，亦即導線內部電子的游動，但這個傳輸過程是耗能的，因為電子會不斷與導線內壁的原子碰觸、摩擦，從而消耗到不少能量，同時也意味著導線壽命會隨時間衰減。電路損耗的能量與電阻成正比（P = I²R），如果電阻消失了，那意味著損耗的電熱能也將消失，這將大幅提升電子在線路中的傳輸效率，從電力傳輸、通訊、發電機，到交通工具、家用電器等層面，使用效能都將顯著提升。

到了 1933 年，物理學家發現：當物質低於臨界溫度變成超導體時，會具有「完全抗磁性」，也就是原本應該穿過物體本身的磁力線會巧妙地從旁「繞過」，這個現象被稱為「麥斯納效應」（Meissner effect）。這個效應帶來了超導體的「懸浮」性質，也就是在不用任何外力的接觸下，在足夠的低溫環境中、超導體便可以藉由抗磁性讓物體「懸浮」而起。我們知道，凡是有接觸便有摩擦力的產生，而摩擦力會損耗不少熱能，因此，如果可以不透過外力接觸而操控物體、就意味著沒有了摩擦力、也就可以不再擔心能量的損耗。

簡而言之，我們可以歸納「超導體」具有下列兩大特性：

• 超導電性：在臨界溫度以下，電阻消失，意味著能量損耗可被降至最小值。
• 完全抗磁性（麥斯納效應）：在臨界溫度以下，磁力線被排斥於物體之外，意味著超導體可具有懸浮特性。

科幻電影中，那些飛快如光的磁浮列車、懸空而起的滑板、或者看似反重力的幽浮，這些都可以透過超導實現，因此，未來世界很可能充滿著各個類型的超導設備。即使在今日，相關的應用也已出現，比如日本便在數十年前研發出「超導磁浮列車」（SCMaglev），2015 年測試的最高時速即達到每小時 603 公里，刷新了地表上速度最快的列車紀錄。

室溫超導體——物理學的聖杯

然而，你或許也發現了，「超導體」並非唾手可得，至少需要「低溫」這個條件，又或者「高壓」 。

而低溫不僅僅是冰點這樣的溫度，而是接近「絕對零度」（0 K，即 -273.15 °C） 的「極低溫」，因此，開發出「高溫超導體」成為了物理學家的重要目標，而這裡的「高溫」並不是讓水煮沸、會讓你燙傷的溫度，而是指高於絕對溫標 77 K（-196.2 °C，即液態氮的沸點）的溫度。這個對人類來說已是難以想像的低溫、對超導體而言卻是相對的高溫。截至 2023 年，人類所開發出最高溫的超導體是一種名為 lanthanum decahydride（十氫化鑭，LaH₁₀）的化合物，其臨界溫度是 250 K（-23 °C），在 200 GPa（相當於接近兩百萬大氣壓）的環境下才得以實現超導特性。

由此可知，要開發出「高溫超導體」實屬不易，發明出「室溫」、「常壓」的超導體基本上更是難上加難。且液態氦、液態氮這些低溫材料都是需要一定的成本，再加上要定溫保存更是不易，因此，倘若室溫超導體能被成功發明，這意味著不僅能大幅降低成本、還能大幅提升運作效能。

LK-99——睽違已久的聖杯、或是泡影？

回到文章一開始的新聞：2023 年 7 月下旬，韓國科學技術研究院 （KIST）以李石培、金智勳為主的研究團隊宣稱他們開發的材料「LK-99」在「室溫」、「常壓」環境下具有超導特性。這次的實驗紀錄號稱：他們的 LK-99 材料具有室溫超導特性，且上限可以到達 400 K（127 °C）這名副其實的「高溫」，並且是在正常大氣壓力下完成的——這遠遠勝過上一個高溫超導體 250 K、200 GPa 的紀錄；不僅如此，這個「LK-99」製作過程超乎想像地簡易，基本上待在實驗室不用三天就可以完成！擁有這麼良好特性、且製作過程又特別上手的超導材料如果被證實，勢必掀起第四次工業革命。

讓我們先來看看這個團隊在論文中的研究內容：首先，這個「LK-99」是近似於 Pb₉Cu(PO₄)₆O 的化合物，從化學式來看，可以發現鉛（Pb）、銅（Cu）、磷（P）這些都是不難到手的化學元素。而製作過程基本上就是研磨、混合、加熱、密封、抽真空等步驟，來回大概三天以內、就能生成 Pb₉Cu(PO₄)₆O，也就是 LK-99。根據他們的論文所述，這個晶體結構的形變會在材料內部產生應力，從而在特定截面產生「超導量子阱」（superconducting quantum well，SQW），致使材料產生了超導特性。這一系列過程都在常溫、常壓下進行的，且LK-99的超導特性可以維持到攝氏 127 度的高溫。

簡單來說，這個 LK-99 的超導性質與溫度、壓力無關，而是肇因於晶體本身，特定的結構形變導致了物質產生超導現象。在他們發布的影片中，可以看見灰黑色的 LK-99「部分懸浮」在磁鐵上，這是他們用來佐證「完全抗磁性」(麥斯納效應) 的證據，之所以沒有完美地懸浮是因為晶體的雜質所導致；此外，他們也宣稱測量結果顯示零電阻率，也就是電阻完全消失的「超導電性」。當「零電阻率」、「完全抗磁性」這兩個條件充分具備後，LK-99 便可以被視為一個成功的室溫超導體。

在論文推出後，世界各地的學術機構與實驗室開始著手復現 LK-99 的製備過程、並競相發表研究成果，短短不到兩週時間，關於 LK-99 的復現實驗以及理論相關的研究已經有二十多項。然而，截至目前（2023 年 8 月 10 日）為止，尚未有成功復現、且通過同行審核被登上期刊的成果（論文發表在學術預印本網站 arXiv，一般需要通過同行審核才有機會被刊登在期刊）。實驗的成果不盡相同，有些證明了 LK-99 的懸浮與抗磁性、有些證明了零電阻率，但也有一些只有觀測到電阻的跳變、有些甚至沒有觀測到任何結果。

一個值得注意的部分是：即使韓國研究團隊的論文中宣稱他們觀測到 LK-99 的抗磁性，也有不少團隊復現 LK-99 的懸浮特性，然而，這並不能斷定它來自於「麥斯納效應」。事實上，不少磁性物質都會有「抗磁性」，這來自於微觀的分子磁矩；但超導體所具備的是由宏觀「超導電流」產生的「完全抗磁性」（注意：本文目前為止強調的都是「完全」抗磁性），甚至能因麥斯納效應產生的磁通量而「固定懸浮」在同一位置（即使將底座磁鐵 180 度反轉，它也應當平穩地懸浮在相同的角度——這背後是複雜的量子機制，而非磁場或靜力平衡的結果）。另一方面，即使一些實驗發現了該物質有「零電阻」的結果，但這並不全然等同於「零電阻率」，因為如果測量的尺寸過小、也是會有量測不出電阻的可能性。因此，目前大部分的研究指向大概是：LK-99 或許具有抗磁性，但並未被證實存在有明確的超導行為。

歷史借鏡與未來展望

事實上，物理學家對於室溫超導的聖杯之旅一直以來從未間斷。舉例而言，2020 年，美國羅徹斯特大學以迪亞斯（Ranga P. Dias）為首的團隊便號稱開發出了一種名為 carbonaceous sulfur hydride 的超導材料，利用鑽石生成，並在 288 K (15 °C)、267 GPa 的環境下具有超導特性，甚至登上《自然》期刊，但該論文在兩年後因為統計分析結果的瑕疵而被撤銷；2023 年初，該團隊再次宣稱開發出了以 lutetium hydride（氫化鑥）為主的超導材料，這次的結果更令人驚豔——在 294 K (23 °C)、1 GPa（約莫一萬大氣壓）下便具有超導特性。可惜的是，該論文後來也因為涉嫌抄襲與偽造數據而被撤下。

科學最重要的一個評判標準就是它必須是「可證偽的」（falsifiable），對於從事實驗的科研人員而言，一個發明是否能被確立最關鍵的要素便在於實驗「可復現」（repeatable） 與否。如果一個實驗無法被成功復現，便很難說服學界接受研究成果。目前看來，南韓團隊所研發的 LK-99 可能無法算是成功的室溫超導體，不過我們也無需氣餒；儘管 LK-99 的超導行為目前尚未被成功復現與證實，但多少也給人們開闢一條研究蹊徑。

人類對於室溫超導體的探索從未間斷，物理學家們也嘗試以各種材料進行研發、希冀能儘早將璀璨的遠景付諸現實。雖然人們所憧憬的那種像科幻片中先進且便捷的「未來世界」可能不會在明天就來臨，但以當前科學日新月異的發展步調來說，也許已是指日可待。