超导体

**超導體**（superconductor），指可以在特定溫度以下，呈現電阻為零的導體。零電阻和完全抗磁性是超導體的兩個重要特性。超導體電阻轉變為零的溫度，稱為超導臨界溫度，據此超導材料可以分為**低溫超導體**和**高溫超導體**。這裡的「高溫」是相對於絕對零度而言的，其實遠低於冰點攝氏 0℃。科學家一直在尋求提高超導材料的臨界溫度，目前高溫超導體的最高溫度記錄是馬克普朗克研究所的 203K（-70°C）。因為零電阻特性，超導材料在生成強磁場方面有許多應用，如 MRI 核磁共振成像等。

## 超導體演進史

* 1911 年，荷蘭科學家海克・卡末林・昂內斯用液氦冷卻汞，當溫度下降到絕對溫標 4.2K 時水銀的電阻完全消失，這種現象稱為**超導電性**，此溫度稱為臨界溫度。
* 1933 年，瓦爾特・邁斯納和羅伯特・奧克森菲爾德兩位科學家發現，如果把超導體放在磁場中冷卻，則在材料電阻消失的同時，磁感應線將從超導體中排出，不能通過超導體，這種抗磁性現象稱為邁斯納效應。目前超導材料的磁電障礙已被跨越，下一個難關是突破溫度障礙，即尋求高溫超導材料。
* 1973 年，發現超導合金――鈮鍺合金，其臨界超導溫度為 23.2K，這一記錄保持了近 13 年。
* 1986 年，設在瑞士蘇黎世的美國 IBM 公司的研究中心報導了一種氧化物（鑭鋇銅氧化物）具有 35K 的高溫超導性。此後幾乎每隔幾天就有新的研究成果出現。
* 1986 年，美國貝爾實驗室研究的超導材料，其臨界超導溫度達到 40K，液氫的「溫度壁壘」（40K）被跨越。
* 1987 年，阿拉巴馬大學亨茨維爾分校的台灣科學家吳茂昆及其研究生（Ashburn 和 Torng），與休斯頓大學的台灣科學家朱經武和他的學生共同發現了釔鋇銅氧，這是首個超導溫度在 77K 以上的材料，突破了液氮的「溫度壁壘」（77K）。從此，科學家可以使用便宜的液氮而非昂貴的液氦研究超導體，這引發了對新型高溫超導材料的研究熱潮。隨後，中國大陸科學家趙忠賢以及台灣科學家朱經武相繼在釔－鋇－銅－氧系材料上把臨界超導溫度提高到 90K 以上。1987 年底，鉈－鋇－鈣－銅－氧系材料又把臨界超導溫度的記錄提高到 125K。從 1986－1987 年的短短一年多的時間裡，臨界超導溫度提高了近 100K。
* 2001 年，二硼化鎂 (MgB2) 被發現其超導臨界溫度達到 39K 。此化合物的發現，打破了非銅氧化物超導體 (non-cuprate superconductor) 的臨界溫度紀錄。
* 1990 至 2000 年代，具 ZrCuAsSi 結構的稀土過渡金屬氮磷族化合物 (rare-earth transition-metal oxypnictide, ReTmPnO) 陸續被發現 。但並未有人發現其中的超導現象。
* 2008 年，日本的細野秀雄團隊發現在鐵基氮磷族氧化物（iron-based oxypnictide）中，將部份氧以摻雜的方式用氟作部份取代，可使 LaFeAsO1-xFx 的臨界溫度達到 26K，在加壓後 (4 GPa) 甚至可達到 43K。其後，中國的聞海虎團隊，發現在以鍶取代稀土元素之後，La1-xSrxFeAsO 亦可達到臨界溫度 25K。其後，中國的科學家陳仙輝、趙忠賢等人，發現將鑭以其他稀土元素作取代，則可得到更高的臨界溫度；其中，SmFeAs [O0.9F0.1] 可達 55K 。另外，將鐵以鈷取代 (LaFe1-xCoxAsO)，稀土元素以釷取代 (Gd1-xThxFeAsO)，或是利用氧缺陷 (LaFeAsO1-δ) 等方式，也都可以引發超導 。此系統亦被簡稱為「1111 系統」。此化合物的發現，非但再度打破了由 MgB2 保持的非銅氧化物超導體 (non-cuprate superconductor) 的臨界溫度紀錄，其含鐵卻有超導的特性也受人注目。
* 同樣在 2008 年，受到上述「1111 系統」的啟發，ThCr2Si2 結構的鹼土金屬氮磷族化合物 (ATm2Pn2) 亦被發現。另外，將 BaFe2As2 中將鹼土金屬 (IIA) 以鹼金屬 (IA) 部分取代，亦可得到臨界溫度約 30 至 40K 的高溫超導體，如 Ba1-xKxFe2As2(38 K) 。此系統亦被簡稱為「122 系統」。如同氧化物超導體，「1111」與「122」系統的超導來源也是由層狀結構中的 FeAs 層貢獻，藉由不同價數的離子摻雜或是氧缺陷，可提升 FeAs 層載子的濃度，進而引發超導。
* 2015 年，德國普朗克研究所的 V. Ksenofontov 和 S. I. Shylin 研究組創下新的超導溫度記錄：203K（-70°C）。其物質為硫化氫，論文發表在《自然》期刊。
* 2018 年，德國化學家發現十氫化鑭在壓力 170GPa，溫度 250K（-23℃） 下有超導性出現，是目前已知最高溫度的超導體。

## 超導體的分類

現在對於超導體的分類並沒有統一的標準，通常的分類方法有以下幾種：

* 通過材料對於磁場的相應可以把它們分為第一類超導體和第二類超導體：對於第一類超導體只存在一個單一的臨界磁場，超過臨界磁場的時候，超導性消失；對於第二類超導體，他們有兩個臨界磁場值，在兩個臨界值之間，材料允許部分磁場穿透材料。
* 通過解釋的理論不同可以把它們分為：傳統超導體（如果它們可以用 BCS 理論或其推論解釋）和非傳統超導體（如果它們不能用上述理論解釋）。
* 通過材料達到超導的臨界溫度可以把它們分為高溫超導體和低溫超導體：高溫超導體通常指它們的轉變溫度達到液氮溫度（大於 77K）；低溫超導體通常指它們需要其他特殊的技術才可以達到它們的轉變溫度。
* 通過材料可以將它們分為化學材料超導體比如：鉛和水銀；合金超導體比如：鈮鈦合金；氧化物超導體，比如釔鋇銅氧化物；有機超導體，比如：碳奈米管。

## 超導材料臨界溫度

## 理論進展

美國物理學家約翰・巴丁、利昂・庫珀、約翰・施里弗提出 BCS 理論，指出電聲耦合的關鍵作用，較圓滿的解釋了低溫超導。高溫超導的理論研究仍在進行中。

2012 年 9 月，德國萊比錫大學的研究人員宣布了一項進展：石墨顆粒能在室溫下表現出超導性。研究人員將石墨粉浸入水中後濾除乾燥，置於磁場中，結果一小部分（大約占 0.01％）樣本表現出抗磁性，而抗磁性是超導材料的標誌性特徵之一。
雖然表現出超導性的石墨顆粒很少，但這一發現仍然具有重要意義。迄今為止，超導體只有在溫度低於－70°C 下才能夠發揮作用。如果像石墨粉這樣便宜且容易獲得的材料真能在室溫下實現超導，將引發一次新的現代工業革命。

## 用途

* **超導輸電線路**- 理論上能免除所有輸電損耗，大幅壓低發電量需求，但成本與保持低溫問題使其處於概念研發前沿階段。中國河南鞏義市一間電解鋁工廠內目前建有試驗超導輸電線，僅有 360 米但已經是世界最長的商用線路，除去保持低溫的用電後依然比傳統電線節約了 65% 電量。
* **超導發電機** - 超導磁體可用於製作交流超導發電機、磁流體發電機讓其效率更上一個台階。1985 年日本造船促進基金會 (JAFSA) 就已經成立了超導電磁發動機船舶 (SEMP) 開發委員會，目前技術開發尚未達到可商業化水準。
* **超導量子干涉儀（SQUID）** - 目前已經產業化。
  * 作為低溫超導材料的主要代表 NbTi 合金和 Nb3Sn 量子干涉儀，在商業領域主要應用於醫學領域的 MRI（核磁共振成像儀）。
  * 基礎科學研究領域，已經應用於歐洲的大型項目 LHC 項目，幫助人類尋求宇宙的起源等科學問題。
  * 探勘地底石油與礦物。
  * 軍事上有增強反潛機探測潛艇的能力，但還在理論階段。
* **超導濾波器** - 目前已經產業化。民用手機和無線網的普及造成大氣中電磁訊號極度複雜化，許多通訊裝置和氣象觀測機受到干擾，超導濾波器有很強的濾波能力使這些舊型裝置重新發揮功能。
* **超導磁浮列車** - 用於磁浮列車可以說是超導界的聖盃，由於超導體天然就有磁浮效應，幾乎不用任何機械設計，理論上能建造極度廉價卻又超過飛機速度的列車，永遠改變人類的生活方式。2017 年中國航天科工集團宣布展開研發專案，利用超導磁懸浮和真空管道雙重技術建造時速達 4000 公里的列車。

## 參考文獻

## 延伸閱讀

* 超導現象
* 鐵磁超導體
* 高溫超導
* 室溫超導體

## 外部連結

* 央視官方頻道 - 超導的誘惑 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Superconductors and Superconducting Materials （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）