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超導體是什麼?3分鐘看懂:足以和原子彈發明齊名「常溫常壓超導體LK-99」厲害在哪:3C永不發燙、磁浮汽車

超導體是什麼?3分鐘看懂:足以和原子彈發明齊名「常溫常壓超導體LK-99」厲害在哪:3C永不發燙、磁浮汽車

科技新報 / Emma stein

科技

首圖來源:ScienceCast

2023-08-02 16:28

讓這世界產生全然不同面貌的分水嶺或許不是 AI,而是室溫常壓超導體?百多年來,科學家一直在想辦法提升超導材料的臨界溫度,最近三名韓國科學家在未經同行評審的論文網站宣布成功於 127℃ 與常壓條件下合成超導材料,為何引發全球實驗室跟進熱潮?

 

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、物聯網(IOT)應用都建立在半導體基礎上,如手機、電腦、汽車、網路、各種消費性電子產品等,而隨著市場對「更小、更高效、更低耗電」的要求逐漸提升,半導體產業需求量也越來越大。

 

但若出現室溫超導體技術,世界將變成另一個樣貌。

 

 

超導體就是能完全不耗損電流的導體,由於超導材料導電時沒有阻力、不會經歷熱損耗和衰減,假如通電後不人為干涉,理論上超導體內部電流可永不衰減,免除所有輸電線路損耗、大幅壓低發電量需求。

 

3C 產品永不過熱、磁浮汽車

室溫常壓超導體將帶來哪些改變?

 

成功大學物理學系黃建龍助理教授接受台灣科技媒體中心邀訪時也解釋,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。

 

交通方面,超導體的抗磁特性能使它們排斥磁鐵磁力從而漂浮,應用在高速鐵路軌道(鋪設強力磁鐵)與列車底部(鋪設超導體)之間就是不產生摩擦力的高速磁浮列車,且幾乎不用任何複雜機械設計;再先進一點,若連一般道路與汽車底部都變成磁鐵與超導體的關係,未來我們也不需要車輪這東西。

 

能源方面,室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,我們將離可持續核融合商轉更進一步;應用在電網也能大幅改善能耗效率,或開發能承載大容量電力傳輸的超導電纜。

 

軍武用途方面,更可能製造出科幻電影外星戰艦必備常出現的充能磁軌砲(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

 

 

歷經百年 一張表看超導體研究重要進程

 

然而,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,持續控制低溫是目前超導技術實際應用需面對最大課題之一,為了提高超導臨界溫度,科學家百年來一直在尋找各種材料組合與合成方法。

 

 

室溫常壓超導體「LK-99」若成真  將與燈泡發明齊名

 

最近三名南韓科學家 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不僅表現出室溫超導性,還表現出常壓超導性,且製造方法相較其他「簡單很多」。一旦後續其他實驗室跟進複製出同樣結果,這將是物理學界有史以來最偉大進步之一,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、名為〈第一個室溫常壓超導體〉新論文,研究人員改良鉛─磷灰石結構,以銅離子取代鉛離子產生應力,使這名為 LK-99 的材料 127℃ 溫度下表現出超導性。

 

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 日在 ScienceCast 平台的影片,確確實實展示 LK-99 材料懸浮於磁鐵上,後續效應就是全球開始高度關注這項發現。

 

然而要注意的是,這些論文都未經同行評審,加上以前也有類似室溫超導體論文,如羅徹斯特大學 Ranga Dias 團隊 2020 年聲稱發現碳硫化氫(carbonaceous sulfur hydride)材料,於溫度 15℃ 、壓力 39,000,000psi(267 GPa)條件下表現出超導性,雖然壓力驚人,但溫度提升至室溫足以讓世界瘋狂。

 

但後來團隊數據遭疑造假,論文也被期刊撤銷。

 

室溫常壓超導體「LK-99」存在哪些疑慮?

 

儘管今年,Ranga Dias 團隊又發表另一種由氫、氮氣體、鎦構成的新型室溫超導材料,20.5℃、145,000psi 壓力下表現出超導性,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。

 

自 1970 年代以來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 懸浮也可能只因為它是種抗磁性材料。

 

▲ Ranga Dias 團隊今年提出另一種室溫超導材料。(Source:羅徹斯特大學

 

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,這也是現在難找到室溫超導的主要原因。近年來許多宣稱在極高壓(百萬大氣壓)發現的近室溫超導體,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。

 

 

(首圖來源:ScienceCast

 

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※本文授權自科技新報,原文見此

 

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