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高溫超導體形成的秘密-電子袋

活躍星系核_96
・2014/07/31 ・2301字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 562 ・九年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

氧化銅超導結構。Credit: Nicolle R Fuller
氧化銅超導結構。Credit: Nicolle R Fuller

編譯/林宇軒

困惑了近三十年,高溫超導體超導現象的成因,有突破性的發現!
「希望藉著測試其他材料是否有相似的性質,能幫助我們找到更高溫的新超導材料!」第一作者賽巴斯丁博士說。

高溫超導體是未來極具應用潛能的科技新星,有機會運用於低電阻的輸電網路系統、下個世代的超級電腦以及磁浮列車等等,而超導體特殊性質究竟從何而來,這個問題終於在最近被科學家揭開神秘面紗,這將使高溫超導能運用於更廣泛的面向。

超導體是一種零電阻的導體,這樣特殊的性質能有很廣泛的應用,但由於科學家對這種性質的來源和起因還沒有足夠的了解,以至於要創造出新的、臨界溫度更高的超導體只能隨機地去選擇材料來測試,而沒有一個準則或原理來依循。劍橋大學的研究人員發現電子雲(電子在空間的分布類似一圈圈的漣漪)間互相作用所產生的電荷密度波(charge density waves或稱charge order)會在材料內部創造扭曲的「電子袋」,使得材料顯現出超導體的性質。這項研究成果發表在今年六月15日的《自然》期刊上。

傳統的低溫超導體在二十世紀初期第一次被發現,不過這類材料需要被冷凍到接近絕對零度(即0克爾文或攝氏-273度)才能有超導體的特殊性質。事實上,所謂的「高溫」超導體仍然至少需要降到138克爾文(攝氏-135度)的低溫才能產生超導現象,不過比起低溫超導的超導臨界溫度已經高上許多,也因此有更多應用的可能。

從1980年代中期高溫超導首度發現至今,已近三十年的時間,新的高溫超導體材料的發現仍有如隨機現象,儘管研究人員已經鑑定出加入某些原料可以製作出好的低溫超導,但高溫超導背後隱藏的秘密仍然沒有被解開,新高溫超導材料的發現完全沒有規律可循。

超導體傳導電流和一般電子元件一樣都是靠著電子的移動來傳輸,但不同的地方在於,超導體材料中負責導電的是結合緊密的「電子對」在導電。在電子移動的過程中,電子傾向於和另一個電子結合,並釋放出能量,當電子對形成後,就能夠平順地通過超導體的結構,這就是超導體沒有電阻的原因。只要溫度維持得夠低,電子對就能不受到任何限制地在超導體中持續移動下去。

傳統超導體運作的關鍵在於電子和材料晶格結構的交互作用。這些交互作用會產生一種像膠水般的作用將電子和電子黏在一塊兒,這種膠水般的作用其強度和超導現象的強度有關,當超導體所在環境的溫度提升,或是磁場強度被提升時,這種可以將電子和電子黏在一起的作用力就會減弱,電子對就容易被拆散,因此失去超導現象。

「其中一個問題在於我們不知道要如何尋找新的高溫超導材料,因為我們並不知道想創造出新的高溫超導材料,哪些原料是必要的?」第一作者,卡文狄希實驗室的賽巴斯丁博士(Dr. Suchitra Sebastian)如此說:「我們知道一定有某種膠水可以將電子黏在一起,但我們不知道那種膠水般的作用力究竟是什麼。」為了要解構出高溫超導的秘密,研究人員試著倒過來想這個問題:如果能了解材料在一般狀況下所具有的特性,他們或許就有機會了解超導現象的成因。

「我們嘗試要了解在電子和電子結合成對之前,材料內部有什麼樣的交互作用會發生,因為那些已經產生的交互作用必定有一個是造成膠水般作用力的原因。」賽巴斯丁博士說道,「一旦電子成對之後,我們就很難知道哪種作用力使得他們被黏合起來,不過如果我們可以破壞電子對,那就可以觀察電子可能的行為,也有機會可以了解超導現象從何而來。」

材料的超導性質傾向凌駕於其他性質之上,舉例來說,研究發現,如果在標準狀態(normal state)下是具有磁性的材料,那麼抑制它的磁性,就能讓材料產生超導的性質。「因此知道了超導材料的標準狀態是什麼,就能使超導材料的選擇有跡可循,而我們也將能夠知道哪些原料是一定要被優先考量加入材料中。」賽巴斯丁博士說。

為了要確定超導材料的標準狀態,先前的研究企圖用提高溫度來破壞電子對,而不是使用如這篇研究中用的強磁場,不過提高溫度破壞電子對的方法只得到了一些無法得出結論的實驗結果。若對超導材料施加極高的磁場,研究人員就能夠抑制銅酸鹽中的超導效應。因為銅酸鹽是一個良好的超導體,如果要抑制它的超導效應,就需要用上世界最強的磁場才能做到,大約是100特斯拉,這個強度約是地球磁場的一百萬倍。

這系列實驗終於能夠解開標準態下超導體材料中電子袋來源的謎團,而這個「電子袋」在低於臨界溫度後會成對的組合在一起,因而產生超導現象。科學家們原本認為電子袋會出現在材料中超導現象最強的地方,不過,這個用超強磁場所測得的最新實驗顯示了奇特的結果,推翻了原本的想法,在材料中會產生波動性的扭曲袋狀結構,像是疊疊樂以不同方向的排列交織在一起。

而這些結果指出了這個袋狀的電子分布會出現在材料中超導性質較弱的區域,這個電子袋的來源則是那個像是漣漪狀的電荷密度波。這些實驗結果說明了正是這樣的標準態,主導了銅酸鹽類高溫超導材料所展現出來的超導現象。

「希望藉著辨別與確認其他材料是否有相似的性質,能幫助我們找到更高溫的新超導材料,或許能有機會找出在室溫下也可以運作的超導體,這樣就會有極大極廣泛的運用!」賽巴斯丁博士說。

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活躍星系核_96
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氣溫越高,太陽能板的發電效率就越低?——還得考慮日照量的變化!
台灣科技媒體中心_96
・2022/08/21 ・2500字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

你覺得,接受到的網路資訊很亂嗎,而且重要的科學都沒有被報導嗎?你也認為,生活中充斥著偽科學,錯誤訊息百出嗎?更無奈的是,在不少議題上,人人都可自稱專家,但發表的見解卻都沒有根據…

真相與科學被謠言屏蔽,這是不分世代面臨的資訊亂象,台灣科技媒體中心跟你一樣擔憂,所以積極號召更多台灣科學家站出來,致力挖掘科學議題的報導素材給媒體,而你的支持可以成為 SMC 堅強的後盾。定期定額挺 SMC,邀請大家與我們一起踏出改變科學新聞的第一步!

太陽能板的標準測試條件:25°C

7 月 25 日,台灣媒體引述歐洲新聞台(Euronews)報導,指出歐洲連日高溫與熱浪,可能會阻礙太陽能板發電。新聞指出太陽能板多數在理想溫度(25°C)的氣溫下測試效能,而這也是最佳發電條件。若高於這個溫度,太陽能板的發電效率會開始下降。對此,台灣科技媒體中心邀請專家解釋台灣的太陽能板發電效率。

臺灣的「矽基太陽能板」有同樣的問題嗎?

台灣科技大學電子工程學系特聘教授 魏榮宗

Q1:現在台灣設置最廣泛的矽基太陽能板,也是在攝氏 25 度的氣溫情境下,測試發電效率嗎?如果是的話,測試情境與實際發電效率的落差有多大?如果不是,台灣的測試情境為何?

為了統一評估太陽能板的發電效果,國際上規範太陽能板標準測試條件(Standard Test Conditions , STC)為 25℃、照度 1000W/m²,AM1.5 標準光譜[1]之情境。依照目前的太陽能板測試數據,溫度每上升 1℃,太陽能板電壓就會變小,導致輸出功率下降 0.35%[2];但溫度越低,輸出功率反而增加。台灣夏天溫度高,太陽能板的表面溫度約在 45~65℃ 之間,換算下來,約降低 7% 至 10.5% 發電功率。

台灣夏季炎熱,而溫度上升時太陽能板的功率會下降,這樣電真的夠嗎?圖/elements.envato

Q2:新聞提到,在上一波熱浪期間,德國的太陽能發電打破紀錄。對於「發電量破紀錄」跟「發電效率可能降低」之間,似乎有概念上的落差,我們該怎麼理解才正確?

雖然太陽能板受溫升影響而降低效率,但實際上,夏季日照時間最長,太陽光垂直照射太陽能板使輸出電流更高[3],所以即便扣除 7 至 10.5% 的發電功率以及下雨影響,台灣夏季平均每日發電量仍高於冬季 40-60%[4]。德國緯度比台灣高,夏冬日照時間差距比台灣更大,熱浪期間長期不下雨,增加發電量的比例遠高於溫升影響,所以發電量破紀錄是必然現象。

Q3:對於高溫可能降低太陽能轉換效率,我們有什麼措施或是技術,來因應氣候變遷的挑戰?

  1. 太陽能板架設時,要預留下方空間給空氣流通。
  2. 三角屋頂施作時,應避免貼平烤漆板,盡量以自然風散熱,降低太陽能板溫度。
  3. 研發太陽能板不易受溫升影響發電效率的電池片。十年前,影響大約每度溫升影響發電效率 0.5%,目前已經下降至 0.35%,期待未來可以進一步降低溫升影響。

不可忽視的關鍵——日照量

成功大學光電科學與工程學系教授 陳昭宇

太陽能電池的效率,必須在特定的標準測試條件(Standard Test Condition, STC)下量測,這樣不同的實驗室或研究團隊所得到的數據才能互相比較。這些條件包含了 1000W/m 的光照強度、攝氏 25 度與特定的太陽能光譜分佈(AM 1.5G)。然而,當太陽能電池真正應用時,情境大不相同。

矽晶太陽能電池的轉換效率,的確會隨著溫度的上升而下降。就算沒有熱浪來襲,屋頂型太陽能電池的工作溫度,在晴天也會處於 40 度到 50 度左右,基本上不會以 25 度的條件發電。一般太陽能模組溫度每增加一度,太陽光電板之效率將降低 0.4% 至 0.5%,因此相對於沒有熱浪的情況而言,熱浪所增加的高溫對於效率的降低可能只是很小的影響。

而發電量是「光照強度」×「轉換效率」,炎熱的天氣通常伴隨著較強的日照,很少遇到炎熱的陰天或雨天,這意味著光照強度整體上升。因此,大部分高溫情況下會得到較高的發電量,是因為日光強度提升,彌補了發電效率的下降。就好比一張滿分 100 分的考卷,你答對九成,分數是 90 分;滿分是 120 的考卷,你答對八成,分數則是 96 分。

圖一是 7 月 26 日,成大光電系系館頂樓太陽能系統的發電情形。紅色是溫度,綠色是日照量,藍色是發電功率——發電功率與日照量是高度相關的!

圖一:2022 年 7 月 26 日,成大光電系太陽能系統發電情形。圖/SMC

圖二是 5 月 2 日,溫度只有攝氏 20 度左右,接近太陽能最佳轉換效率之溫度。然而,因為日照大量減少(綠色),因此發電量也大減。

圖二:2022 年 5 月 2 日,成大光電系太陽能系統發電情形。圖/SMC

因此,該篇報導只注重轉換效率與發電量,未考慮到日照量的變化,是錯誤的連結。

另外,值得一提的是,歐洲地區的用電尖峰是在冬天為了避寒,然而這個季節的太陽能發電量是相對較少的。台灣的情境剛好相反, 我們的用電尖峰是在夏天,太陽能的供應相對高,因此我們在供給與需求的匹配上比較有利,地理條件對於使用太陽能支援尖峰供電也相對容易。

註解

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我來到一個島,它叫做都市熱島——《都市的夏天為什麼愈來愈熱?》
商周出版_96
・2021/07/11 ・1801字 ・閱讀時間約 3 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

  • 作者 / 林子平

比氣候變遷更早被發現的「都市熱島」

「都市熱島」這種市區氣溫比郊區高的現象,可不是最近才被注意到的,它被發現的時間甚至比我們耳熟能詳的「氣候變遷」、「全球暖化」都還要早!在距今 200 年前的 1818 年,英國的盧克.霍華德就已指出都市空氣溫度高於郊區的現象,他發現倫敦市中心在夜間的氣溫,比郊區足足高了約 2.1℃,當時大家對這個現象及造成的原因都很好奇,霍華德則是把這個現象主要歸因於倫敦市區嚴重的煙霧(smog)——這是個結合了煙(smoke)和霧(fog)兩個字所產生的新字。

煙霧瀰漫的倫敦市區。圖/Pexels

霍華德是個傳奇的人物,他的本職其實是位製藥學家,氣象雖只是他業餘的興趣,但他被公認是都市氣候研究的先驅。而他在氣象領域中最廣為人知的貢獻,是將雲分類並命名的第一人,這個分類系統一直沿用至今。很多人稱他為雲之教父,德國文學家哥德甚至還寫了一首詩,讚揚他為捉摸不定的雲起了各種名字呢!

從霍華德第一次發現都市熱島現象迄今,200 年來世界各地有許多學者針對不同都市的熱島現象、成因、對策進行探索。尤其近年來熱島現象在氣候變遷、全球暖化的影響下,惡化的速度更是急劇加速,建立大眾對都市熱島議題的認識和思考,已是刻不容緩的任務。

都市熱島急劇惡化程度高於氣候變遷

聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)在歷次的評估報告中指出,人類活動為影響氣候變遷的主要成因,2016 年聯合國成員國也簽署了《巴黎氣候協定》,協定的其中一個目標是要將地球的上升溫度控制在 2℃ 以內,並致力於限制到 1.5℃ 以內。在一些網路上的影片中,我們可以看到北極的冰山因為暖化問題正逐漸融解,北極熊必須要長途跋涉,游更長的距離去尋找食物。看著瘦弱不堪的北極熊,愈來愈多人願意改變對於環境及資源的使用方式,也改變自己的生活模式,來減少二氧化碳的排放。

但其實早在 200 年前倫敦市區的氣溫就比郊區高了 2℃ 以上,2008 年一個倫敦研究更指出,市區及郊區的溫差已經到了令人難以置信的 8.6℃,遠高於《巴黎氣候協定》對世紀末溫度控制的目標。當我們試圖做出努力,減少全球溫度升高,解救北極熊的同時,是否曾經想過,享受著現代都市生活種種好處的自己,其實也正付出相對的代價,承受著前所未有的高溫化衝擊。

北極熊與我們,都正承受著高溫化的代價。圖/商周出版

一座飄忽不定但影響甚巨的「島」

你可能會好奇,為什麼要用「島」這個字來描述都市高溫的現象呢?這是因為都市的氣溫有高低起伏的變化,若畫出等溫度線圖,可以發現它看來很像島嶼的等高線圖。在這個虛擬的島上,高溫區像是島上的山峰,而且往往不只一座;而低溫區則如島上的平原,也可能是兩個山峰之間的山谷。都市在同一時間下最高溫區及最低溫區的氣溫差異,即是「都市熱島強度」。

如島嶼等高線一般的都市等溫線圖。圖/商周出版

隨時變化且不易定義的都市熱島強度

都市熱島強度可以用來描述熱島的嚴重性,例如上一節提到倫敦市區及市郊的溫差在 1818 年是 2.1℃,到了 2008 年溫差則達到 8.6℃,我們可以說倫敦的都市熱島強度在這 200 年間劇烈地升高了,代表這個都市高溫化的問題愈來愈嚴重。

都市熱島強度的定義看來很單純,就是把都市中的最高溫及最低溫相減,但實際上,這可比計算一個都市的海拔高差複雜多了!首先是都市中最高溫及最低溫的地點及數值,並不像山川、平原地形一樣,位於固定位置,有固定的高度,它會隨著不同年度、季節、時段一直在改變。以台南為例,白天最高溫常出現在東南側的內陸區,而夜間最高溫卻是位於西北側的沿海區。另外,都市最高溫區很容易指認,通常是在車站、市中心,或發展密集的區域,但低溫位置卻很難定義。低溫區應該選擇在都市開發密度高低變化的邊界處,且海拔高度應與高溫區接近較為合理,例如台北市的低溫區若選擇海拔高、氣溫低的陽明山,那就不夠客觀。

──本文摘自《都市的夏天為什麼愈來愈熱?》,2021 年 6 月,商周出版
商周出版_96
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閱讀商周,一手掌握趨勢,感受愜意生活!商業出版為專業的商業書籍出版公司,期望為社會推動基礎商業知識和教育。

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挖個從美國通到中國的洞,然後跳下去會怎樣?──《然後你就死了》
臉譜出版_96
・2019/02/18 ・2872字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 512 ・六年級

你在長大過程中(應該是小時候),或許曾心血來潮,想挖個從美國通到中國的洞。你甚至可能動手過,在海灘挖了差不多一公尺。

現在你年紀增長,更有毅力了。假設你下次到了海邊,完成童年時的未竟志業,挖了個穿過地球、深達八千哩(約一萬兩千八百公里)的洞,然後一股腦跳下去。

接下來會怎樣?

如果你從美國大陸開始挖,最後會溺斃在印度洋。若想在美國挖洞,最後在乾燥的陸地上冒出,得從夏威夷海灘上開始挖,最後你會在波札那的狩獵保護區冒出來。圖/pixabay

問題一:起點很重要

首先,得看你從哪裡開始挖。你的確切起點很重要。別以為中國就在美國的對面。這是錯誤的觀念。事實上,如果你從美國大陸開始挖,最後會溺斃在印度洋。若想在美國挖洞,最後在乾燥的陸地上冒出,得從夏威夷海灘上開始挖,最後你會在波札那的狩獵保護區冒出來。

問題二:摩擦摩擦,直到你剩一攤爛泥

但從夏威夷開始挖也有問題。地球外殼的旋轉速度比內部要快得多,和旋轉木馬一樣。你站在夏威夷海灘上,會比地球核心的移動速度每小時快八百哩(約一千兩百八十七公里)。因此,當你跳進洞裡之後,會一路摩擦著岩壁往下,而朝著另一頭往上時,背部也會摩擦岩壁。

要是摩擦速度慢,你只會輕微擦傷。但高速墜落時,持續擦傷會把你的皮膚與骨頭磨光,直到你只剩一攤爛泥。

地球外殼的旋轉速度比內部要快得多,和旋轉木馬一樣。高速墜落時,一路摩擦岩壁會把你的皮膚與骨頭磨光,直到你只剩一攤爛泥。圖/wikimedia

要避免摩擦致死,最聰明的方法是從南極或北極開始挖,這裡地表的旋轉速度與核心的旋轉速度差不多。

這是第一步驟。不過,跳進穿過地球的洞穴,風險可不只擦傷致死而已。

人體在海平面以屈體墜落時,終端速度約為時速兩百哩(約三百二十公里)。以這種速度墜落八千哩需要四十小時。換言之,你大可以照一般的方式訂機票,中間經過轉機幾次的折騰後,便能抵達波札那。但假設你不趕時間,花四十小時也無妨。只是,你仍舊不可能通過地球。

問題三:重量減少、空氣密度增加,讓你「漂」在半途

你在幾秒鐘之後,速度就會慢下來。原因有二。

首先,接近地球中央時,就沒有那麼多的地球重力把你往下拉,這表示你的重量會減少 ,墜落速度也跟著變慢。但第二個原因則比較危險:空氣變厚重。

海拔八千八百四十八公尺的聖母峰是地球最高點,那高度沒有太多大氣來壓縮空氣,因此地表的空氣會比較稀薄,只有受過良好訓練的登山者才可能生存。

你往反方向前進時,則會發生相反的情況。

由於上方的大氣增加,你墜落過程的空氣也會越來越受壓縮。你才僅僅墜落六十哩(不到全程的一%,約九十七公里),空氣的密度已和水一樣。你會下沉一會兒,但後來就達到平衡狀態,屆時空氣和你的密度一樣。因此,你永遠會「漂」在地球裡。

屆時空氣和你的密度一樣。因此,你永遠會「漂」在地球裡。圖/pxhere

由於大氣壓力會擠壓你的氣室,因此你在地球內部的密度也會比目前還高,並且沉得比你預期得深。但你還是到不了地球的另一端。

顯然,這個沙坑需要重新設計一下。要解決空氣密度的問題,就是抽光隧道中的空氣再封起,使之成為長長的真空管。這就解決了漂浮與移動速度太慢的問題,你現在會以時速一萬八千哩的速度(約兩萬九千公里),尖叫著通過地球中心,而非卡在半途。

問題四:超高溫將你全身汽化

可惜,這條隧道還是不能安全使用。俄羅斯人曾挖掘過世界上最大的沙坑,他們證實:地球中心太熱了。

俄羅斯的沙坑稱為「科拉超深鑽孔」(Kola Superdeep Borehole),是一項從一九七○年開始、為期二十二年的龐大計畫,目的只是想了解他們能挖得多深。蘇聯在一九八九年已經挖到四萬呎(十二.四公里),後來因為鑽頭焊接處遇到高溫熔化,計畫才告終。即使他們才挖了地球不到○.一%的深度,溫度即已上升到一百八十度。

根據經驗法則,從地表往下每挖一百呎(約三十公尺),溫度就會上升攝氏約零.五六度,也就是墜落兩秒,你大概就會覺得變暖○.五六度。沒什麼大不了。但你在新真空管中,會加速得非常快。

三秒後,隧道中的溫度會提高一.五度,三十秒後,就和烤箱一樣暖。這可不舒服,但你卻能存活超長一段時間。十八世紀,英國科學家查爾斯.布萊格登爵士(Sir Charles Blagden)把一間房間加熱到一百零五度,在裡頭坐了十五分鐘,毫髮無傷地走出來。不過,布萊格登爵士所在的房間不像你的隧道那樣越來越熱。三十秒後,你或許還活著,但這個洞會繼續變熱。再過三十秒,你前進十三哩(約二十一公里),溫度已經抵達五百三十八度。若你帶了加熱即食的披薩,這時已可以吃了,當然你自己也已經熟了。

你在新真空管中三秒後,隧道中的溫度會提高一.五度,三十秒後,就和烤箱一樣暖。再過一分鐘,若你帶了加熱即食的披薩,這時已可以吃了,當然你自己也已經熟了。圖/pxhere

但情況越來越糟。你仍無法抵達地球另一端。

地球中心的溫度高達六千一百度,比太陽表面還燙。在那溫度下,你的身體會立刻汽化,電子遭撕碎,剩餘部分也將變成零碎的電漿。

所以,我們又得繼續更改你的隧道設計。

如果我們把這隧道的隔熱功能做得非常、非常好(當然不可能做到)。你能順利抵達嗎?

問題五:能量守恆,小心變成地球版盪鞦韆

設沒有撞到隧道的岩壁,且排除了導致速度變慢、抵達另一端時身體東缺一塊西缺一塊的因素,那麼你在時速一萬八千哩的情況下,只要十九分鐘即可來到地球中心。一旦你通過中心,速度又會開始變慢,因為地球會開始把你拉回。但就像遊樂場的鞦韆,你的動能會把你推回一開始的高度──在這情況下,就是地球的另一邊。

假設排除了上述所有問題,只要十九分鐘即可來到地球中心。但就像遊樂場的鞦韆,你的動能會把你推回一開始的高度──就是地球的另一邊。圖/pxhere

如果忽略目前科技無法在地球核心的極端溫度與壓力下挖掘的問題,你可能抵達地球另一端嗎?可以!大約三十八分十一秒,即可抵達地球另一端。到時候要扶好彼端的地面。

要是沒扶好,你就得重來一遍了。

 

 

本文摘自《然後你就死了:被隕石擊中、被鯨魚吃掉、被磁鐵吸住等45種離奇死法的科學詳解》,2018 年 5 月,臉譜出版。

臉譜出版_96
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