芝加哥即將成為「超導」都市

• 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

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  • 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。

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。

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。

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。

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

• Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride