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超導體

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超導體（英語：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。這裏的「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

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主條目：超導現象
超導邁斯納效應
  • 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公司的研究中心報道了一種氧化物（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）。[1][2][3][4][5][6][7][8]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裏，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 [9]。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[10] [11]。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[12]，在加壓後(4 GPa)甚至可達到43K[13]。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[14]。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[15] [16]。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[17] [18] [19]。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) [20]。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。[21]
  • 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[22]。

超導體的分類

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一塊超導材料沿着磁軌道前進

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：

超導材料臨界溫度

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超導材料臨界溫度Tc 總表
材料 符號 Tc (K) 晶胞中Cu-O平面數目 結構
YBa2Cu3O7 123 92 2 正交晶系
Bi2Sr2CuO6 Bi-2201 20 1 四方晶系
Bi2Sr2CaCu2O8 Bi-2212 85 2 四方晶系
Bi2Sr2Ca2Cu3O6 Bi-2223 110 3 四方晶系
Tl2Ba2CuO6 Tl-2201 90 1 四方晶系
Tl2Ba2CaCu2O8 Tl-2212 108 2 四方晶系
Tl2Ba2Ca2Cu3O10 Tl-2223 125 3 四方晶系
TlBa2Ca3Cu4O11 Tl-1234 122 4 四方晶系
HgBa2CuO4 Hg-1201 94 1 四方晶系
HgBa2CaCu2O6 Hg-1212 128 2 四方晶系
HgBa2Ca2Cu3O8 Hg-1223 134 3 四方晶系

理論進展

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未解決的化學問題：高溫超導體在相圖上各點的電子排布是什麼？能否將轉變溫度提高到室溫？

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佈了一項進展：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（大約佔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。[23]

2023年7月，韓國科學技術院院士李石培等人製造出名為LK-99的材料，據稱能在370K（97℃，206℉）以下作為超導體。[24] [25]

用途

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  • 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。[26]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。[27]
  • 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[28]。
  • 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。[29]
  • 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。[30]
  • 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。[31]2017年中國航天科工集團宣佈展開研發專案，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

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  1. ^ IN THE TRENCHES OF SCIENCE. 紐約時報. 1987-08-16 [2018-05-05]. （原始內容存檔於2018-05-05）. 
  2. ^ 九十度的震撼－吳茂昆超導物理世界. 遠見雜誌. 1988-07-15 [2018-05-05]. （原始內容存檔於2018-05-05）. 
  3. ^ Suspension Effect Astounds Scientists. 紐約時報. 1988-09-20 [2018-05-05]. （原始內容存檔於2018-05-05）. 
  4. ^ Method for making superconductor films. 1991-12-13 [2018-05-05]. （原始內容存檔於2018-05-05）. 
  5. ^ Heating up of Superconductors. 物理評論快報. 2017 [2018-05-05]. （原始內容存檔於2018-08-19）. 
  6. ^ 「超導體，我研究了一輩子！」專訪超導物理專家吳茂昆. 《研之有物》. 中央研究院. 2002-11-01 [2018-05-05]. （原始內容存檔於2018-05-05）. 
  7. ^ 當自由的心靈遇到高溫超導. 科學人. 2005-09 [2018-05-05]. （原始內容存檔於2018-05-05）. 
  8. ^ 超導大師朱經武. 科學人. 2008-10 [2018-05-05]. （原始內容存檔於2018-05-05）. 
  9. ^ J. Nagamatsu, N. Nakagawa, T. Muranaka, Y. Zenitani, and J. Akimitsu, Nature 410, 63 (2001)
  10. ^ B.I. Zimmer,W. Jeitschko, J.H. Albering, R. Glaum, M. Reehuis, J. Alloys Comp. 229, 238 (1995)
  11. ^ P. Quebe, L. J. Terbüchte, and W. Jeitschko, J. Alloys Comp. 302, 70 (2000)
  12. ^ Y. Kamihara, T. Watanabe, M. Hirano, and H. Hosono, J. Am. Chem. Soc. 130, 3296 (2008)
  13. ^ H. Takahashi, K. Igawa, K. Arii, Y. Kamihara, M. Hirano, and H. Hosono, Nature 453, 376 (2008)
  14. ^ H. H. Wen, G. Mu, L. Fang, H. Yang, and X. Zhu, Europhys. Lett. 83, 17009 (2008)
  15. ^ X. H. Chen, T. Wu, G. Wu, R. H. Liu, H. Chen, and D. F. Fang, Nature 453, 761 (2008)
  16. ^ Z. A. Ren, W. Lu, J. Yang, W. Yi, X. L. Shen, Z. C. Li, G. C. Che, X. L. Dong, L. L. Sun, F. Zhou, and Z. X. Zhao, Chin. Phys. Lett. 25, 2215 (2008)
  17. ^ G. Cao, C. Wang, Z. Zhu, S. Jiang, Y. Luo, S. Chi, Z. Ren, Q. Tao, Y. Wang, and Z. Xu arXiv:0807.1304 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
  18. ^ C. Wang, L. Li, S. Chi, Z. Zhu, Z. Ren, Y. Li, Y. Wang, X. Lin, Y. Luo, S. Jiang, X. Xu, G. Cao, and Z. Xu arXiv:0804.4290 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
  19. ^ T. A. Ren, G. C. Che, X. L. Dong, J. Yang, W. Lu, W. Yi, X. L. Shen, Z. C. Li, L. L. Sun, F. Zhou, and Z. X. Zhao, Europhys. Lett. 83, 17002 (2008)
  20. ^ M. Rotter, M. Tegel, and D. Johrend arXiv:0805.4630 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
  21. ^ Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system; A. P. Drozdov, M. I. Eremets, I. A. Troyan, V. Ksenofontov & S. I. Shylin; Nature (2015) doi:10.1038/nature14964
  22. ^ Drozdov, A. P.; Kong, P. P.; Minkov, V. S.; Besedin, S. P.; Kuzovnikov, M. A.; Mozaffari, S.; Balicas, L.; Balakirev, F.; Graf, D.; Prakapenka, V. B.; Greenberg, E.; Knyazev, D. A.; Tkacz, M.; Eremets, M. I. Superconductivity at 250 K in lanthanum hydride under high pressures. arXiv:1812.01561 [cond-mat]. 2018-12-04 [2018-12-13]. （原始內容存檔於2018-12-12）. 
  23. ^ Scientific American 2013
  24. ^ published 2023027536A1,이석배; 김지훈 & 권영완,「Ceramic composite with superconductivities over room temperature at atmospheric condition and method of manufacturing the ceramic composite」,發表於2023-03-02  互聯網檔案館的存檔，存檔日期2023-07-26.
  25. ^ Lee, Sukbae; Kim, Ji-Hoon; Im, Sungyeon; An, Soomin; Kwon, Young-Wan; Ho, Auh Keun. Consideration for the development of room-temperature ambient-pressure superconductor (LK-99). Korean Crystal Growth and Crystal Technology (Korea Association Of Crystal Growth). 2023-03-31, 33 (2): 61‒70 [2023-07-25]. doi:10.6111/JKCGCT.2023.33.2.061. （原始內容存檔於2023-07-25）. 
  26. ^ 嚴陸光 肖立業 林良真 戴少濤. 大力发展高电压、长距离、大容量高温超导输电的建议. [2020-09-19]. （原始內容存檔於2021-04-18） （中文（中國大陸））. 
  27. ^ 程玉峰 鄧紅超. 巩义360米“高温超导电缆”创下两项世界之最. henan.qq.com. 2013-04-20 [2020-09-19]. （原始內容存檔於2021-02-25） （中文（中國大陸））. 
  28. ^ 鄭征; 鄒瑾; 胡迪. 高温超导船用推进电动机的发展和现状. 微特電機. 2013, 41 (9): 64–67. ISSN 1004-7018. doi:10.3969/j.issn.1004-7018.2013.09.020. CNKI WTDJ201309020. 
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  30. ^ 详解高温超导滤波器构成 - 微波部件/模块 - 微波射频网. www.mwrf.net. [2020-09-19]. （原始內容存檔於2021-03-04）. 
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延伸閱讀

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外部連結

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