科學家新視野－爲何實現室溫常壓超導體如此困難？

任何科學新發現都必須滿足「實驗可重複性」此條件，面對新的實驗宣稱，各研究團隊也變得更謹慎。圖爲半導體示意圖。圖／freepik

全世界於8月期間燒起一波超導體熱潮，起因是南韓團隊7月底宣稱成功找出室溫和常壓下的超導體，並發表在未經同儕審覈的預印本平臺。但多國不同的實驗室，包含中國、德國、美國、臺灣，依照南韓研究寫的條件重複實驗後，結論是南韓團隊發現的「LK99」材料，性質其實比較接近抗磁性弱的半導體或不良導體，不是超導體。

任何科學新發現都必須滿足「實驗可重複性」此條件，雖然太多材料的變數或條件會影響實驗結果，我們無法期待100％複製某一實驗現象，但如果一個新發現的材料，其物理特性的確穩定存在於自然界，只要實驗條件在特定範圍內，應該會觀察到非常類似或幾乎一樣的現象。自1986年物理學家從銅氧化物中發現攝氏負240度之高溫超導現象以來，陸續也有其他實驗學家宣稱在不同材料中發現常溫超導體，最後都被證實爲虛幻一場。物理界有非常多「僞宣稱」，也就是其他實驗室在類似條件下卻無法重現這些新發現，而不被學術界接受，面對新的實驗宣稱，各研究團隊也變得更謹慎。

因此確立一個新發現或新理論，常需要漫長的嘗試及驗證。從1911年科學界首次發現水銀這種普通金屬在攝氏負269度極低溫時，產生零電阻也就是超導的現象，到1957年三位理論物理學家發現，極低溫的普通金屬，兩個電子間因量子力學原理能克服排斥力而出現違反直觀的「吸引力」，認爲是普通金屬會產生零電阻現象的原因，經過40多年，普通金屬的超導現象才被科學完整的解釋。高溫超導體發現至今30多年，全世界物理學家都還在想辦法作出或尋找具應用價值之常溫常壓下的超導體，儘管許多科學家包括朱經武與吳茂昆兩位院士提升高溫超導體的超導溫度至攝氏負183度以上，但常壓下要達到超導的特性，目前溫度最高只達到約攝氏負135度，距離常溫還有一大段路。

由於超導現象是牽涉原子和電子的量子力學效應之其中一種，多在接近攝氏負273度的極低溫環境才最明顯，一旦溫度升高會產生熱能而破壞超導電子的形成。所以要達到常溫常壓下的超導現象，關鍵是必須讓電子間的吸引力不被上升溫度的熱能所破壞，電子間的吸引力要夠強，且超導電子數量還要夠多，但要同時滿足這兩個條件非常困難，是當前研究的瓶頸。如何產生效果更大的超導機制是當前理論與實驗物理學家的一大研究方向。但是要找或是合成什麼新材料、透過哪些更有效的機制可達到室溫常壓下的超導體，有些實驗室已出現正面的初步成果並努力中，目前仍無定論。

有一個潛力方向是研究銅氧化物變成高溫超導體之前的「奇異金屬態」，瞭解此狀態如何變成高溫超導體，就更有機會藉由調控實驗變數，創造有利於形成超導的環境與尋找材料，近一步提升超導的溫度。筆者的研究團隊與美國布魯克海文國家實驗室合作，歷經三年半揭開了稀土族超導體形成奇異金屬態的機制，今年2月登上《自然通訊》期刊。這類材料變成超導體之前的狀態跟銅氧化物變成高溫超導體之前極爲類似，因此有助於解開形成高溫超導體的機制，進而往尋找室溫常壓超導體邁進一步。