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焦點 | 時事分析

常溫超導體是什麼?為什麼引起全球瘋狂?

常溫超導體是什麼?為什麼引起全球瘋狂?
常溫常壓超導體技術若成真,將會突破超導材料的溫度及壓力限制,為現有科技帶來巨大變革。 (來源:Dreamstime/典匠影像)
撰文者:Emma stein
摘要

1.最近,3名韓國科學家在未經同行評審的論文網站宣布,成功在127℃的常壓條件下,合成超導材料,引發全球實驗室跟進實驗。

2.若常溫超導體技術成真,商用與消費電子關鍵元件從半導體變成超導體,散熱問題將不再發生,並且將為交通、能源、軍事等領域帶來重大變革。

3.超導體已歷百年研究,背後物理機制仍未完全明朗,近年來許多宣稱在極高壓發現的近常溫超導體,純粹在比誰擁有更強大的加壓工具,不具學術或應用意義。

3名南韓科學家宣稱發現「能源聖杯」,透過改良過的鉛-磷灰石「LK-99」結構,製出常溫、常壓超導體,引來全球關注。美國勞倫斯柏克萊國家實驗室也有論文認為「LK-99」,理論上可行。消息一出,帶動美國超導公司(AMSC)股價大漲,台股也受惠,8月2日,第一銅(2009)、泰銘(9927)、金益鼎(8390)、太空梭(2440)同步飆出漲停板。

對世界產生重大影響的科技分水嶺,或許不是AI技術,而是常溫常壓超導體。一百多年來,科學家一直在想辦法提升超導材料的臨界溫度。最近3名韓國科學家在未經同行評審的論文網站宣布,成功在127℃的常壓條件下,合成超導材料,引發全球實驗室跟進熱潮。

常溫超導體是什麼?

現代人類生活於便利的半導體社會。幾乎所有科技裝置、網路應用都建立在半導體基礎上,像是手機、電腦、汽車、各種消費性電子產品等。隨著市場對「更小、更高效、更低耗電」的要求逐漸提升,半導體的需求量也越來越大。

但若常溫超導體技術成真,世界將變成另一個樣貌。

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超導材料是完全不會耗損電流的導體,由於導電時沒有阻力,不會經歷熱損耗和衰減。假使通電後沒有人為干涉,理論上超導體內部的電流可以永不衰減,免除所有輸電線路的損耗,大幅壓低發電量的需求。

常溫超導體的影響

成功大學物理學系黃建龍助理教授,在接受台灣科技媒體中心邀訪時解釋,一旦商用與消費電子關鍵元件從半導體變成超導體,「散熱」這個名詞將成為過去式,因為不管你如何使用3C設備,它都不會過熱。

交通領域

超導體的抗磁特性能,使物體得以漂浮。在高速鐵路軌道鋪設強力磁鐵,以及列車底部鋪設超導體,就是不會產生摩擦力的高速磁浮列車,並且幾乎用不上任何複雜的機械設計。若技術持續發展,將一般道路與汽車底部改成磁鐵與超導體的配置,未來的車子也不需要車輪了。

能源領域

常溫常壓超導體能形成維持電漿穩定的磁場,無需昂貴又笨重的冷卻設備,可持續進行核融合的發電模式將進一步落實;若應用在電網上,也能大幅改善耗能效率。也能開發出承載大容量電力傳輸的超導電纜。

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軍事領域

常溫超導體技術更可能製造出科幻電影中,外星戰艦必備的充能磁軌砲(Railgun),理論上也可以開發手持電磁槍,大概有點像雷神之鎚,而擁有千年歷史的火藥技術會自此終結。

常溫超導體為何如此難成真?

目前,一般金屬都必須在極低溫度(約零下270℃)與高壓條件下,才能呈現超導現象,控制低溫是當前超導技術在實際應用上的最大課題之一。為了提高超導的臨界溫度,科學家百年來一直在尋找各種超導材料的組合與合成方法。

關於室溫超導體的研究,可追溯到1911年開始。
關於室溫超導體的研究,可追溯到1911年開始。 (圖表製作者:科技新報)

最近,3名南韓科學家Sukbae Lee、Ji-Hoon Kim、Young-Wan Kwon宣布能以簡單設備合成超導體的消息,之所以掀起討論巨浪,就是因為這種超導體符合「常溫超導」及「常壓超導」的特性,而且製造方法相較其他研究「簡單很多」。

一旦有其他實驗室跟進,複製出相同結果,將是物理學史上最偉大進步之一,與燈泡、交流發電機、收音機、原子彈等發明齊名。

根據發表於《Arxiv》網站,一篇名為〈第一個常溫常壓超導體〉新論文,研究人員改良鉛-磷灰石結構,以銅離子取代鉛離子,以產生應力。使得這名為LK-99的材料,在127℃下表現出超導性。

不久後,《Arxiv》出現另一篇論文,增加其他物理學家合作撰寫,不只重複第一篇論文許多令人瞠目結舌的細節,還更詳細描述材料合成。最後一個證據,來自Hyun-Tak Kim於7月25日發布在ScienceCast平台的影片,確實展示LK-99材料懸浮於磁鐵上,至此因起全球開始高度關注。

然而要注意的是,這些論文都未經同行評審,加上以前也有類似常溫超導體論文,如羅徹斯特大學的Ranga Dias團隊,在2020年聲稱發現碳硫化氫(Carbonaceous sulfur hydride)材料,於15℃ 、壓力267GPa的條件下表現出超導性,雖然壓力參數仍大的驚人,但溫度提升至常溫,足以讓世界瘋狂。但這項研究遭疑數據造假,論文也被期刊撤銷。

儘管到了2023年,Ranga Dias團隊又發表另一種由氫、氮氣體、鎦構成的新型常溫超導材料,在20.5℃、壓力0.999GPa下表現出超導性,但尚未有其他研究室成功複製結果,因此可信度仍要打問號。

科學界對常溫超導體的看法

自1970年代就投入超導材料研究的美國馬里蘭大學物理學家Richard Greene強調,雖然南韓團隊的影片令人印象深刻,但超導現象並非讓物體懸浮的唯一機制,LK-99的懸浮表現,可能只是因為它是種抗磁性材料。

美國萊斯大學物理學家Douglas Natelson更指出,兩篇論文有關磁化率Χ的數據明顯不一致,而磁化率是判斷材料是否進入超導狀態的重要依據之一。

台灣大學物理學系王立民教授則提醒,超導體已歷百年研究,背後物理機制仍未完全明朗,尤其是1986年發現的高溫超導銅氧化合物,產生原因仍不明確,這也是目前常溫超導體難以成真的主要原因。

近年來許多宣稱在極高壓發現的近常溫超導體,純粹只是在比誰擁有更強大的加壓工具,不具學術或應用意義。

謹慎一點想,這次南韓的研究也可能只是典型的話題炒作,等待同行評審或其他實驗室結果出爐後,再抱持希望也不遲。

資料來源:Physicsworld

延伸閱讀:
南韓科學家以簡單設備製出室溫常壓超導體,127℃ 展現超導特性
科學家首度合成出室溫超導材料,在 15℃ 展現超導特性

*本文獲「科技新報」授權轉載,原文:為何熱衷室溫常壓超導體?人類將跨入無電力損耗的新時代

責任編輯:陳瑋鴻
核稿編輯:倪旻勤

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