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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

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(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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人類終於實現室溫超導體之夢?常溫常壓超導體 LK-99——《科學月刊》
科學月刊_96
・2023/11/01 ・4262字 ・閱讀時間約 8 分鐘

  • 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(Tc)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」的特徵之一。

圖一、YBCO 薄膜電阻率的比值(a)與磁化率(b)隨溫度變化的關係。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狀態。圖/科學月刊(作者提供)

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。

圖二、筆者實驗室合成的 LK-99 樣品外觀(右上)。LK-99 樣品的 X 光繞射圖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,尤其是在合成方法中出現副產物硫化亞銅(Cu2S)的「雜相」。圖/科學月刊

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。

圖三、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 附近觀察到電阻急遽降低的情形。但此超導現象可能是由於合成方法產生的硫化亞銅所引起,與超導無關。(a)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 在室溫下具抗磁性,但換算磁化率則極低。(b)LK-99 樣品電阻率隨溫度變化的關係圖。圖/科學月刊

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(Hc)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(Hc1)與上臨界磁場(Hc2),磁場在小於Hc1下為完全抗磁性的狀態;磁場介於 Hc1 與 Hc2 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〉
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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

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。

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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

  • 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
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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

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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