室溫超導發現！人類將迎來科技革命！？我到底要買哪支股票？
韓國團隊發現全新超導體 LK-99，宣稱可以在 1 大氣壓，攝氏 127 度以下維持超導態，溫度甚至比水的沸點還高！
這則新聞想必你已經看到了，不只在科學界，在全世界都炸了鍋，因為這方法簡單到具有污辱性，甚至有人比喻，這就像是有人用某個比例的蘿蔔、香菜跟芋頭煮一煮火鍋就做出長生不老藥一樣誇張。難道我們引頸期盼的材料學聖杯就這樣降臨了嗎？
LK-99 到底是什麼？這個發現有多重要？
7 月 23 日，南韓團隊宣布合成出一種新材料 LK-99，這是一種把鉛磷灰石中的鉛部分替換成銅的材料。團隊說 LK-99 已經產生超導量子阱並表現出抗磁性，是史上第一塊常溫常壓下能維持超導的材料。
如果這是真的，那可能會是本世紀中最偉大的發現之一。
為什麼這麼說呢？因為超導體有一個非常特別的性質——電阻為零。
這能不興奮嗎？要知道，當你掌握一個完美的零電阻材料，意味著用它做電線，能量在傳輸時就不會因為有電阻而消耗能量，如果我們的電力系統全部換成超導體，電力傳輸時就完全不會損耗能量，甚至不用設置高壓電系統。除此之外，零電阻、零能量損耗，也意味電流經過時不會發熱。
這兩點加起來，如果我們的高鐵、超級電腦、粒子加速器甚至核融合，等等需要大量電力的設備如果全部使用超導體作為電力載體，就可以突破過往的負載極限，省下龐大的冷卻設備建置費用和空間。除了讓科幻成真，也是解決全球暖化的奇兵。
但話說回來，超導體為什麼能零電阻呢？
超導體為什麼會零電阻？
我們先回到第一個超導體被發現的時刻。19 世紀末、20 世紀初，當時氫氣、氦氣等在元素週期表靠前的氣體都還未能被人類成功液化，有兩位專攻低溫物理的科學家，詹姆斯．杜瓦和海克．卡末林．昂內斯，則在挑戰這項艱難任務。兩人當中的杜瓦率先液化了氧氣與氫氣，並開發了用來儲存低溫氣體的儲存罐，至今實驗室仍然會以發明者名字命名的杜瓦瓶來儲存液態氮。
另一位科學家昂內斯則造出了液態氦，溫度低達攝氏 -269 度，只比絕對零度高 4K。昂內斯接著開始利用液態氦冷卻其他金屬，想觀察金屬在低溫時的特性。當時的科學家對於電阻有幾種不同的猜測，隨著溫度線性降低、停在某個極限，或是隨著溫度降低重新上升。
但出乎意料的是，1911 年，當昂內斯在量測汞，也就是水銀的電特性時。溫度向下探到 4.2K 時，電阻突然雪崩式下降，突然就變成零了，第一個超導體被發現了。
超導體研究的大門至此被打開，許多超導材料陸續被發現，但直到昂內斯發現第一個超導體的 46 年後，也就是 1957 前，才有了能解釋超導現象發生的理論。理論提出者是約翰．巴丁、利昂．庫珀和約翰．施里弗三位科學家，並以三人的字首，將理論命名為 BCS 理論。BCS 理論認為，在低溫下，電子在晶格中的移動方式會產生改變。
首先，電子會兩兩成對，形成庫柏對 (Cooper pair)。接著，分散在材料中的大量庫柏對，則會形成一大團的凝聚。此時的電子就如同堅固的方陣，在材料中暢行無阻，要阻擋一顆電子，就等於要跟所有電子做對。也就是如果沒有足夠強的能量，例如高溫、高電流或高磁場一口氣拆散這團凝聚，電子在材料中的電阻就是零。
當然，實際內部發生的事情沒那麼簡單，為什麼原本應該同性相斥的電子會手拉手成為方陣？這就與量子力學有關。電子會因為與晶格中的聲子作用形成庫柏對。所謂聲子，就是在材料晶格震盪中誕生的粒子，用以傳遞聲能、熱能。當電子與聲子作用形成庫柏對，會從原本與中子、質子類似的費米子，變成性質與光子、聲子相似的玻色子。
恩，這邊真的有點難懂，這牽涉到量子力學中粒子的自旋性。如果大家有興趣，可以留言告訴我們，我們有機會再來深入介紹這些燒腦的量子力學。
總之，原本會互相排斥的電子形成了手牽手的庫柏對凝聚，並且在移動時不會與晶格產生能量交換，也就是不會產生電阻，可以在超導體中自由穿梭。
而且超導體除了零電阻之外，還有另外一個有趣的特性，就是能真正做到磁懸浮，這又是怎麼一回事？
為什麼超導體會飄？——超導體的磁懸浮
超導體的零電阻現象，最早在 1911 年昂內斯就發現了。但直到 1933 年，科學家邁斯納才發現，在超導溫度以下的超導體，就算在外加磁場中，內部也完全不會有磁力線穿透。甚至如果材料在常溫時先放進磁場中，讓磁力線通過材料，逐漸冷卻溫度到低於臨界溫度的時候，磁力線竟然也會被自動排除。這個現象稱為邁斯納效應，背後的原因，是因為一個零電阻的完美導體，可以在磁力線通過時產生感應電流，製造相同大小、方向相反的磁力線「抵銷」這些外部磁場，阻止表面磁通量的改變。因此，我們通常會稱超導體是一個完美的抗磁性材料，可以在磁場中產生斥力。
等等，但你有沒有想過，一個完美的抗磁性材料，雖然可以漂浮，但在許多的超導體展示影片中，超導體都能在軌道上滑行，甚至當它懸浮在軌道下方時也不會墜落，感覺好像哪裡怪怪的吧？
例如有種具備反磁性但不是超導的熱解碳，雖然可以漂浮在磁鐵上，但是會在磁鐵上方滑來滑去，無法被固定。沒錯，看到材料漂浮在磁鐵上，不見得就是超導體。
其實邁斯納效應只能解釋一部份的超導體——也就是第一類超導體的抗磁性。在高溫超導體和其他第二類超導體中，還有一個重要的關鍵：磁通量鎖定 (Flux pinning)。
第二類超導體雖然也會在溫度低於臨界溫度時進入超導態和產生邁斯納效應，將磁力線隔絕在外。但是當外加磁場存在的時候，磁力線會穿過某些通道，並且開出一個又一個的小洞，並以漩渦的形式在通道中產生「磁通渦旋」。這些渦漩是超導態被破壞的區域。但特別的是，這些小洞會牢牢抓著從中穿過的磁力線，所以當超導體懸在磁鐵側邊或下方時，仍然會被牢牢抓住。
講到這邊，我們已經知道超導體特別在哪裡了，那我們離將超導體實際應用還有多遠呢？
超導體容易被應用嗎？為什麼很少聽到超導體產品？
在韓國超導體的消息公開之前，一直以來就有各路研究者發現在高壓下可以進入超導的材料，但這些需要高壓的材料，是難以被應用在產品中的，甚至其中的大部分都難以在其他實驗室中被還原。目前在常壓下能達到最高溫的超導體材料是汞鋇鈣銅氧化物，臨界溫度最高大約是 135K，也就是攝氏零下 138 度。雖然離室溫還很遠，但至少靠液態氮就能到達超導態。
而且事實上，要看到生活周遭的電器全部被超導體替代，真的還有一段距離。因為，除了需要臨界溫度 (Tc) 外，超導體還有兩個重要的指標：臨界電流密度 (Jc) 和臨界磁場 (Hc)。仔細想想也很合理，就算材料能允許磁力線和電子通過，也不代表能無上限的開放這些通道。因此當材料被施加過強的磁場，或是通以過強的電流，超導態就會被破壞，回到正常狀態。
雖然常見的釔鋇銅氧、鉍鍶鈣銅氧等高溫超導，已經能做到每平方公分耐受 1 萬安培以上的電流，但目前這一小塊 LK-99 能承受的臨界電流，大約只有數百毫安培。所以就算高溫超導能在實驗室中製作出來，離全面更換電網、應用在核融合等科技還有段距離。為了承受大電流，不是要找到更好的材料，就是需要製作截面積巨大的導線，不論哪一個，成本和技術都還是非常高昂。當然，我們也很期待幾年內就有人成功商業化並跳出來打臉我，我肯定會痛苦卻快樂地接受。
但話說回來，這次研究大家最關注的就是臨界溫度突破這一點了。很多人懷疑，至今超導材料的極限是 -138℃，一下子跳到 127℃，顯然不合常理。這就必須說說，關於「高溫超導」的物理機制我們了解多少了？
咦？我們不是前面都講完了嗎？不，雖然我們前面提了 BCS 理論，看似我們對超導體已經有完整認知，可惜的是，BCS 理論涉及庫柏對與聲子的交互作用。而根據用來研究固體材料中聲子行為的德拜模型推估，BCS 理論只能用於解釋凱氏溫標 30K 以下時，材料中能形成庫柏對的原因。
那 30K 也就是 -243℃ 以上的高溫超導體呢？雖然我們知道超導現象必然與庫柏對的形成有關，也有許多論文提出不同的模型與看法，但可怕的是，從 1986 年開始發展銅氧化合物陶瓷高溫超導，第一次突破了液態氫的 40K「溫度壁壘」，至今 40 年過去了，我們還未能完全了解這些超導材料背後的物理機制。
許多年來高溫超導的研究確實是邊摸索著邊前進，藉由替換材料中的特定元素，改變晶格結構，並測量新材料的特性，試著了解其物理機制並繼續改良。例如這次韓國團隊的 LK-99，就是一種把鉛磷灰石中的鉛部分替換成銅的材料，希望通過晶格的壓縮，讓材料間能形成庫柏對。
那麼這次韓國的研究，會成為跨時代的里程碑嗎？
韓國超導體研究有什麼重要意義？
這次超導新聞一爆發，幾乎撼動了整個世界，各國專家甚至鄉民們紛紛投入實驗，想複製出一模一樣的東西。我們這些吃瓜群眾，也理所當然關心這項科技會不會引發下一次科技革命，或忙著找概念股準備投資。結果很快的，發表在 arXiv 上地論文也引起不小風波。首先，arXiv 上的論文不須經過審查，再來，隔沒幾天就爆出此文章連續兩天發布，作者名單卻不同等等的爭議。
另一方面，也有許多實驗室宣布投入研究，嘗試復刻出一樣的結果。不論是實驗復刻結果或是學術倫理的爭議，目前我們確實也只能等待其他實驗室的回饋。什麼？你說實驗很簡單，要有實驗精神，幹嘛不自己動手試看看？
LK99 還具有研究意義嗎？
但話說回來，就算這次結果出爐，LK99 不是完美的超導體，只是個具備抗磁性的材料，我們也不需要直接將此研究視為敝屣。因為只要它仍存在部分反磁性或或是特殊的電阻特徵，對於材料科學研究上就一定還是有所貢獻的。
最早，我們認為世界上的物質分為氣、液、固三態，隨著科學進步，我們逐漸發現物質在特定條件下可以出現許多有趣的特性，每次的新發現都帶來新科技革新與生活便利，例如大氣和燈管中的電漿態、主宰數十年螢幕科技的液晶態、在化學工業、半導體產業發光發熱的超流體、還有我們這集提到的超導體、凝聚態等等。
在微觀尺度下，許多材料的特性我們都還未完全了解，而這方面正是我們最需要的。例如當今的半導體產業，電晶體的尺寸在物理尺度上已趨近極限，當電晶體縮到只有幾層原子甚至單層原子後，過去在塊材中沒見過的物理特性就會一個一個冒出來。
而高溫超導體中觀察到的庫柏對、玻色子、費米子之間的交互作用，更是量子力學中的重要研究對象。
最後，即使超導體無法立刻普及在生活，高溫超導體也被視為量子電腦的救星之一。目前量子電腦的候選材料有很多種，半導體、離子阱、超導體等等。但不論哪種方法，幾乎都要求極低溫。因為只要溫度一高，晶格一擾動，量子位元就會被破壞。
如果超導體可以在更高溫中運作，或至少，藉由這個研究學到的凝態物理能幫助我們開發更好的材料，都能讓我們在量子電腦科技中向前推進一大步。
這次的爆炸新聞，是成是敗還需要持續來觀察，如果有什麼後續的消息，我們也會持續關注。我們由衷希望它真的能成為超導體科技發展的一盞明燈——一盞電阻為零的明燈。
你覺得呢？你覺得這次的 LK-99 會掀起科學革命嗎？
- 會，不論結果如何，新的研究領域密室已經被撬開了
- 實驗太粗糙了，我先多打幾個問號
- 通用AI、核融合商轉越來越近，現在又加上室溫常壓超導，這這這，外星人應該快發出警告了吧？
歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識！
