高溫超導解謎鐵鑰

鐵氮族化合物在環境溫度50K時具有超導特性,這項新發現再次促使物理學家群起追尋效能更好的高溫超導材料,同時可望解開懸宕20年的超導之謎。

撰文╱柯林斯(Graham P. Collins)
翻譯╱甘錫安

重點提要

■傳統超導體能夠在零能量損耗下傳輸電流,

但必須冷卻到接近絕對零度才具備此特性。1980年代末,銅氧化物超導體打破了長久以來的溫度障礙,然而要將它運用在工業上,仍舊是很大的挑戰。

■以往除了銅氧化物之外,似乎沒有其他材料具備相同的特性。但到了2008年,物理學家發現「鐵氮族化合物」同樣可在高於絕對零度下具備超導特性。

■研究鐵氮族化合物或許可協助科學家探究銅氧化物超導現象的原理,並可進一步了解如何製造室溫超導體。

2006年,日本東京工業大學細野秀雄(Hideo Hosono)的研究團隊正在研究供平面顯示器使用的新型透明半導體,並沒有尋找超導體的打算,但他們在探討一種新材料(鑭、氧、鐵、磷化合物)的電子特性時,發現它在溫度低於4K(-269℃)的環境下,完全不具電阻,也就是說,它是一種超導體。

儘管4K遠低於目前超導材料的最高溫紀錄138K(當然更遠低於最終目標「室溫」,也就是300K左右),但科學家擁有了新型超導體,就像帆船運動員獲得新的船身設計一樣,水手想知道的是一艘船能開到多快,物理學家想知道的則是材料能在多高的溫度下維持超導特性。現今的超導體必須搭配昂貴、複雜、體積龐大的冷卻系統,在工業用途上大為受限;提高運作溫度將可減少現有裝置的麻煩,讓超導體的應用在技術上可行,又能達到經濟實惠的需求。舉例來說,工程師曾經設想能輸送超大電流的無損耗輸電纜線,以及可用於磁振造影、磁浮列車、粒子加速器和其他高科技裝置的小型超強力磁鐵,但不需花費太高的成本,也不需使用以往傳統低溫超導體不可或缺的液態氦冷卻系統。

因此細野秀雄的研究團隊開始對這種材料進行摻雜(在材料中加入其他原子),希望提高其轉變溫度(材料低於此溫度時即具備超導性,又稱為臨界溫度)。他們將一些氧原子換成氟原子,可在7K出現超導特性;將磷換成砷,轉變溫度則提高到26K,這個溫度已經足以引起全世界物理學家注意,2008年2月底,該研究團隊關於砷的論文發表之後,更激起一陣研究熱潮。到了2008年3月底,中國的研究團隊已經將類似化合物的轉變溫度提高到40K以上,一個月後又提高到56K。

儘管這些令人驚豔的成果遠不及銅氧化物超導體在這20年內締造的紀錄,物理學家仍然相當興奮,理由有好幾個。第一,誰知道溫度還可提高到什麼程度?第二,物理學家認為鐵化合物可能比銅氧化物更容易進入科技應用領域,因為銅氧化物很脆,必須運用複雜的技術才能製造成電纜或磁性裝置。

另外,對於超導體而言,鐵是相當特殊的元素,因為鐵原子具備很強的磁性,而磁性通常會影響超導性。的確,超導體除了有完美的導電性之外,另一項特性是有外加磁場時,磁場會從超導體周圍繞過,不會通過其內部。如果磁場強到可進入超導體內部,則會破壞其超導性。材料內部鐵原子的磁性為何不會破壞超導體?這個謎團至今仍然無解。

但最有趣的部份或許是,新的鐵化合物使銅氧化物不再是獨一無二的高溫超導材料。20多年來,研究人員一直找不出解釋銅氧化物所有特性的理論,尤其是轉變溫度相當高這點。現在有了兩種材料可以比較,實驗科學家終於有機會發現重要線索,幫助理論科學家解開高溫超導之謎。

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