什麼是超導體？超導體基本介紹與未來展望！

前陣子南韓科學家團隊發布一種LK99的新材料，並稱其為常溫常壓超導體，也就是所謂的室溫超導。此消息引起科學界廣泛關注，先不論LK99是否為真的室溫超導，為什麼常溫常壓超導體會引起關注？什麼又是超導體呢？今天就讓我們一起來了解吧！

什麼是超導體？

一聽到超導體這個詞可能會毫無頭緒，而超導現象指的是發生在某些材料的特殊現象，當溫度降到一定程度時，超導體會顯現兩大特性：一是能夠不耗損能量地導電，稱為零電阻；二是它能完全排斥磁場，稱為麥斯納效應(Meissner Effect)。這意味著，如果你使用超導體傳送電流，即使很長時間，也不會有任何能量損失，同時磁場也不能滲透其內部。

超導現象在1911年由荷蘭物理學家卡末林·昂內斯發現，當冷卻汞到接近絕對零度(4.2K)時，其電阻突然消失[1]，從而開啟了超導體這塊研究領域。

超導體的類型

基於對磁場的反應，超導體可分為第一類超導體與第二類超導體；除此之外，基於超導現象發生的臨界溫度，又可分為低溫超導與高溫超導，底下針對這幾種分類來進一步說明。

第一類超導體 v.s. 第二類超導體

第一類超導體在超導轉變溫度以下完全排斥磁場。這代表第一類超導體處於超導狀態時，不允許磁場線穿透內部，也就是前面開頭提及的麥斯納效應(Meissner Effect)。此外，一旦磁場強度超過臨界值時，超導態將被破壞，如圖1所示。

第一類超導體與磁場及溫度關係的示意圖 — 圖1. 第一類超導體與磁場及溫度關係的關係[2]

第二類超導體在某些磁場範圍內允許磁場線部分穿透。當磁場低於下臨界磁場時，二型超導體會像一型超導體那樣完全排斥磁場(圖2區域a)。然而當磁場介於下臨界磁場和上臨界磁場之間時，磁場線開始穿透材料，形成旋渦結構(圖2區域b)。當磁場超過上臨界磁場時，超導性消失(圖2區域c)，如圖2所示。

低溫超導 v.s. 高溫超導

早期發現的超導材料轉變溫度大多低於攝氏零下260度[4]，因為轉變溫度極低，要讓超導體走入應用相當困難。而高溫超導起源於瑞士IBM的研究員在研究銅氧化物時發現這一現象，他們觀察到一種銅氧化物材料在溫度35K時就展現超導行為。這個溫度遠高於先前已知的超導材料。由於這項發現，他們在1987年被授予諾貝爾物理學獎。

隔年，朱經武與吳茂昆團隊發現釔鋇銅氧的氧化物擁有超導特性，其臨界溫度大於77K，由於液態氮沸點為77K，這也讓超導體走入應用的成本大幅降低。儘管如此，高溫超導的高溫只是有著相對於低溫超導較高的臨界溫度，距離常溫仍有一段距離。目前臨界溫度接近常溫的超導體也要在極為嚴峻的物理條件下才能實現，如極高壓力環境。

超導體可能應用

超導體由於獨特的零電阻和抗磁性質，已經成為許多高科技領域的關鍵材料。例如，在大型粒子加速器中，超導體不僅能夠提供強大的磁場，其零電阻特性更可確保在極高能量下運作時能維持高效，大幅減少能量損失。

此外，超導體的使用也可實現高效率的電力傳輸，減少長距離傳輸過程中的能量損耗，為現代電網帶來革命性的改變。而在運輸領域，超導磁浮列車更是一大亮點，可以透過麥斯納效應讓列車在軌道上浮起來，大大降低摩擦阻力。

另外在醫學領域，超導體在醫學影像設備中也發揮了關鍵作用，如核磁共振成像（MRI），它不僅提供了更清晰的影像，還縮短掃描時間，為現代醫學診斷技術帶來進步。

主廚結語

儘管超導體有驚人潛力，它仍然面臨一些挑戰，其中最大的挑戰是要在可接受的技術條件下達到超導態的溫度，這也是為什麼科學界對於常溫常壓超導如此熱衷，只要能找到常溫常壓超導體，便能改變世界。隨著科學家不斷尋找室溫超導體，相信未來將有更多驚艷的發現！

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