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超導體的新研究

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。

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。 
 

這兩種化合物的相似之處頗多,讓許多科學家開始期待鐵超導體能夠提供探究銅氧化物的蛛絲馬跡。銅、鐵超導體出現超導性的溫度,都高於目前已知的其他超導體,而且在這兩類材料中,每種化合物都有特定的最佳摻雜濃度,可讓轉變溫度達到最高。如果摻雜不足或過多,轉變溫度都會逐漸降低,在和最佳濃度的差距大到一定程度時,降到絕對零度。換句話說,摻雜濃度非常低或非常高的樣本,就完全不具超導性。

不過最明顯的相似點,就是銅氧化物和鐵氮族化合物都由交錯的原子層構成。銅氧化物中二氧化銅層的位置,在新型材料中則是一層層的鐵氮族化合物,也就是鐵與週期表上氮的同族元素(磷、砷、銻)結合成的化合物。舉例來說,在細野秀雄的26K材料中,就是氧化鑭層與砷化鐵層交錯堆疊而成。

二氧化銅和鐵氮族化合物層就是這塊晶體總匯三明治中最重要的部份,物理學家認為超導性就是來自這裡。上下「麵包」層的功能只是為中間「餡料」層提供電子或由此取出電子。以摻雜氟的鑭氧鐵砷化合物(LaOFeAs)為例,每個氟原子比它取代的氧原子多一個電子,這些多餘的電子移動到砷化鐵層,改變其電子特性。

從上方觀察時,砷化鐵層的原子看起來像是擺在奈米尺度的西洋棋盤上,鐵原子位於黑色方格,砷原子位於白色方格;銅氧化物的二氧化銅層狀況類似,不過銅原子只佔了一半的黑色方格。每個二氧化銅層都是平的,所有原子位於同一平面上;相反的,砷化鐵層中的砷原子則是位於鐵原子的上方或下方。每個鐵原子周圍有四個砷原子,分別位於正四面體的頂點。儘管我們知道了這兩種材料絕大部份的特性,但究竟是兩種結構的相似性還是差異性比較重要,仍然沒有答案。

這種層狀結構深深影響了銅氧化物超導體的特性,因此超導電流是以平行或垂直方向通過層狀結構,超導體的表現也會有所不同。舉例來說,在銅氧化物晶體中,磁場對超導電流產生的效應取決於磁場的方向。磁場平行於銅氧化物結晶層時,超導性可承受的磁場強度遠超過磁場垂直時。這種特性相當重要,因為超導體的許多應用與產生強大磁場有關。以上這幾種效應,都可能成為破解銅氧化物超導性的重要線索。

理論科學家非常重視這些線索,20年來,他們大多將注意力集中在解釋單一銅氧化物層如何產生超導性。也就是說,科學家將二維空間視為關鍵的特徵。這從理論的角度看來十分合理,因為在數學與物理例證中,有許多系統在二維空間內擁有獨特的性質和現象,但在三維空間中則完全不具這些性質,或是複雜許多。許多實驗結果也已經證實,銅氧化物中的二氧化銅平面功能相當特殊。

一開始針對鐵氮族化合物進行的研究,結果似乎也差不多。但2008年7月底,由中國科學院的王楠林與美國愛荷華州立大學的康菲爾德(Paul C. Canfield)各自率領,分別與美國洛沙拉摩斯國家實驗室合作的研究都發現,施加在鐵氮族化合物超導體上的磁場不管在哪個方向上有所改變,超導體的反應都相當類似。也就是說,這種由砷化鐵與摻雜鉀的鋇層交錯排列、轉變溫度最高可達38K的材料,似乎具備三維空間超導性。

依據荷蘭來登大學理論科學家札南(Jan Zaanen)的說法,如果銅氧化物和鐵氮族化合物的「高溫超導之謎」有著相同的答案,那麼這個實驗結果表示「二維空間只是個幌子,誤導了科學家的研究方向。」

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