※ [本文轉錄自 NTU-Karate 看板] 作者: precession (little-boy) 看板: NTU-Karate 標題: 轉貼文章--「高溫超導體」挑戰科學家 時間: Fri Oct 17 08:33:44 2003 「高溫超導體」挑戰科學家 2003.9.17　中國時報 §　前言　§ 高溫超導體的發現，對人類未來的生活及基本科學發展，造成深遠的影響。 它們發生的機制，一直是科學家最大的疑問和挑戰…。 　科學研究是為了揭開自然界的奧秘，結果幾乎是少有例外地被用來導向技術 的發展，增進人類生活的品質。在剛進入21世紀的今天，「科技」已成了人們 的口頭禪。但一般人對工業、農業，甚至生物，醫藥技術的接觸或瞭解比較多， 談到基本科學，就有些遙不可及了。因此在這裡利用「高溫超導體」為題材， 簡單談一下它對基本科學的啟發。 　超導現象的發生，是指一些材料在抵達特定的溫度時，(例如：釔鋇銅氧在 攝氏零下一百八十度或絕對溫度九十三度)，電阻突然下降到零。在科學領域 裡，這種「非連續性」的自然現象，屬於「相變」。相變看起來似乎相當「不 自然」，但實際上我們在日常生活中，不時見證它們的發生。例如：氣態的 蒸氣冷到攝氏一百度「突然」變成液態的水，而水又在零度時變成固態的冰。 其他相變包括鐵磁轉變(原子磁矩從高溫的無序到轉變溫度以下的有序排列)和 反鐵磁轉變(相鄰磁矩呈反方向的有序排列)。總括來說，自然界的相變種類 有限，但它們的發生機制，卻一直是科學家最大的疑問和挑戰。(不禁聯想到 人文社會、人的生死、國家的興亡、甚至政黨輪替，又何嘗不能視為「相變」 呢？) 1957年：超導理論出現 　有趣的是，遠不及蒸發或凝固為人熟悉的超導現象，在1957年終於有了令人 滿意的解釋，被認為是科學界重大的成就。這個BCS理論，以三位作者(Bardeen, Cooper和Schrieffer)的姓名中第一字母組成，提出了令人驚訝的創見：超導 轉變是由於個別電子形成電子對而促成。雖然如此，導致諾貝爾物理獎的理論 仍然不能很準確的預測任何物質的超導轉變溫度(正如我們還無法預測任何新 材料的熔點或沸點)，仍得依賴實驗測定。經年累月的結果，在1980年代只提升 到絕對溫度二十度左右。這些被稱為「傳統」超導體的應用，仰賴於液態氦的 低溫，操作不易，價格高，經濟價值受限。而從基本科學的角度來看，這些 物質超導的機制都屬於同一類，是由電子與原子震動相互作用而產生，難道 沒有其他可能的機制存在？因此許多科學家都積極努力的在搜尋更高超導轉 變溫度的及新超導機制的材料。 冶金史家揭開「美麗」的背後 　1987年初，一種「釔鋇銅氧」化合物首次顯現了在液態氮沸點以上的超導 相變。它的發現歸功於當時旅居美國的華人物理學家朱經武和吳茂昆(兩人 均為中央研究院院士，現在分任香港科技大學校長和中研院物理所所長)。 消息瞬間傳至全球，展開國際間的競爭。幾種新的但類似的「高溫超導」 材料接連出現。不可諱言，這種競爭的動力，多半在於技術上的潛力。由於 液態氮來自空氣的液化，操作容易，價格低。 　　超導轉變溫度在1987年的大幅提升，似乎也有另一種相變的架式。事實 上在超導轉變溫度以上「正常」金屬態的許多物理現象也與大部分的金屬不 同。許多傳統的觀念受到了嚴厲的挑戰。 　　除了超導轉變溫度的大幅提升外，高溫超導體材料還有很多獨特的性質， 例如銅與氧形成的二維層狀結構似乎是必要的，這些材料通常都不是很好的 晶體，這與傳統的超導體非常的不同，它們一般要有很好的結晶體才能有較高的 超導轉變溫度，這點也是1957年超導理論的結果之一。而更奇怪的是這個材料 有很強的磁性，反鐵磁作用力似乎相當重要。它在室溫的導電性能卻比很多 金屬，如：金、銀、銅等也都要差一些。事實上，改變某一些元素如氧的數量， 這個材料可由金屬轉變成絕緣體，而這個絕緣體與我們所熟悉的絕緣體並 不一樣，它無法導電的原因是由於電子之間的強作用力造成電子侷限於一定的 空間區域，無法在電壓之下流動。 發展新的超導機制 　從以上的幾個例子已經可以看出，這個高溫超導體材料與我們以前已有相當 深入研究的傳統超導材料有非常不一樣物理性質，幾乎所有的實驗也都確認此 超導態的對稱性也是獨特的，這種種的結果都強烈的暗示著1957年所發表的 「傳統超導」的機制已不適用，我們不但需要一個新的超導機制的理論，並且 也要新的理論來瞭解這一個新的材料在超導相變未發生之前的物理性質。 　　為了瞭解這個奇特的新材料，實驗技巧也發展出不少新的突破，特別值得 一提的是角分析光電子能譜ARPES及電子掃描顯微鏡。電子掃描顯微鏡技術在 1982年初開始，立即在探討奈米結構及材料表面的電子結構有重大的貢獻， 二位科學家(Binnig和Rohrer) 也因此與另一位首先設計電子顯微鏡的Ruska 一起拿到諾貝爾物理獎。它的解析率不斷被增進，尤其在超低溫系統下使用， 可看到超導體表面電子的分佈。如圖三所示在64奈米尺寸的範圍中，交叉線形 及明暗的圖形代表了電子密度的分佈此波狀般的圖形，與水面上有互相干擾的 水波圖形很相似，分析這些圖形可直接證實超導態的對稱性及電子結構。 　　 角分析光電子能譜的原理就是光電效應，愛因斯坦解釋此現象而得諾貝爾 獎。用光照射材料的表面可將電子撞出，分析射出電子的速度與角度可反推出 在材料內電子的能量與動量的關係，因而可直接觀測到材料內電子的結構， 此種實驗特別適合像高溫超導體這類的層狀材料，再加上最近幾年測量角度 與速度解析度的大幅提高，使得許多微小但重要的電子結構細節皆能呈現大大 的幫助了我們瞭解高溫超導體。 　　既然大多數實驗證據都顯示出這個高溫超導體的材料需要新的理論，有 許多的理論已被提出，雖然現在還無一為眾所接受的理論，但是幾乎可確定 的是傳統超導理論中的聲子與電子作用產生超導的機制已不再適用，材料的 反鐵磁性與超導機制必然有非常密切的關係。此導致磁性與超導的關係變成 研究超導的一個重要關鍵，新的超導體如鍶釕氧化物、鈉鈷氧化物等皆一一 被陸續發現。 　　高溫超導體的發現似乎類似相變，正對人類未來的生活及基本科學發展 造成持久及深遠的影響。 -- 曾經滄海難為水 除卻巫山不是雲 取次花叢懶回顧 半緣修道半緣君 --

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