高 溫 超 導 體 之 簡 介


台大化學系劉如熹教授

八十七學年度高中化學教師暑期研習營

八十七年八月二十五日

 

劉如熹教授實驗室

一、超導體的基本特性

  超導體處於臨界溫度(critical temperature, Tc)以下時具有超導現象,而主要的超導現象為零電阻及抗磁性(diamagnetism)。零電阻乃指電流流通時無阻力之現象(如圖 1),亦即產生永久電流(persistent current)。抗磁性則是將超導體放入磁場中,會將其內部的磁場完全排除(如圖 2),即使其內部磁通量(magnetic flux)保持為零,此即所謂的麥斯納效應(Meissner effect),也因此超導具有磁浮現象。必須同時具備以上兩種特性,才可稱為超導體。
 

圖 1  汞金屬在低溫時的零電阻現象

 
 
 圖 2  超導體的磁浮現象

二、超導體的發展歷程

  荷蘭雷登學院的 H. K. Onnes 在1908 年成功地將氦氣液化後,於 1911年首度觀察到汞金屬(Hg)在 4.15 K 時出現電阻突然消失的現象(如圖 1),經過一再重複實驗後確認,汞之特性轉移至一個新的狀態,因而將具有此特殊電性的狀態定名為超導態(superconducting state),並稱發生此突然變化的溫度為超導臨界溫度(superconducting critical temperature,以 Tc表示)。隨後,又發現其他金屬具有超導現象,如鉛(Pb, Tc = 7.2 K)、錫(Sn, Tc = 3.8 K)等等。1933年 W. Meissner 和 R. Ochsenfeld 發現超導體內部的感應磁場強度為零,即具有完全抗磁性,後人稱之為麥斯納效應(Meissner effect)。而零電阻現象和完全抗磁性即為超導體兩個獨立的基本性質。

  1950年時發現臨界溫度與原子平均質量的平方根及乘積都為一定;若以較重的同位素取代超導體中的原子,則 Tc 會降低。此即所謂的同位素效應,說明了超導體中不僅是傳導電子,也和離子的運動有關。而後又有研究指出提出超導體的自由電子與晶格振動有關的理論,此結果對於日後超導理論的研究有很大的影響。Cooper 提出電子會因聲子(phonon 即量子化的晶格振動)而產生相互作用,當其克服電子之間的庫倫排斥力時,便會形成電子對,稱為「庫伯對」(Cooper pair);形成庫伯對的電子彼此的自旋相反,而動量和守恆。接著於 1957 年在伊利諾大學的 B. D. Bardeen、L. N. Cooper 及 J. R. Schrieffer 發表了著名且完整的超導微觀理論,稱為 BCS 理論。BCS 理論則進一步說明庫伯對在超導狀態時有效的運作,例如一電子散亂而失去動量,另一電子立即獲得相同大小的動量,則電子即呈現規則性地持續電流,而產生超導現象。雖然此理論並不適用於後來發展的高溫超導體,但對於傳統超導體的解釋以及庫伯對的描述仍是目前極重要的理論之一。

  1973年發現的鍺化鈮(Nb3Ge),將 Tc 提高至 23.2 K,此後雖然陸續發現許多新的超導體,但是在 Tc 的提升方面卻無法再突破,使 Nb3Ge 停留在最高 Tc 之位長達 13 年之久。直到 1986 年,瑞士 IBM 蘇黎士研究所的 Bednorz 和 Muller 發現一類具有 K2NiF4 型結構的超導體材料,名義上的成分(nominal composition)為鑭鋇銅氧(La4.25Ba0.75Cu5O15-x),其 Tc 高達 35 K。再度引起全世界對新興高溫超導體領域研究的高度興趣。緊接著在 1987 年由吳茂昆與朱經武兩位教授等人發現 Tc 高達 90 K以上的超導體釔鋇銅氧化合物 (YBa2Cu3O7-x),首度將 Tc 提高至液態氮溫度(77 K)以上。此發現突破 BCS 理論預測的極限,因此科學家對於高溫超導理論之研究及更高Tc 的超導體化合物的發展燃起了新的希望。

  1987 年法國的 Michel 等人發現鉍鍶銅氧化合物(Bi2Sr2CuO6+x),雖然其 Tc 僅約 20 K,但隨後由 Maeda 等人將 Ca 加入此系統中,卻獲得 Tc 高達 110 K的超導體化合物(Bi2Ca2Sr2Cu3O10+x)。同年中 Sheng 和 Hermann 亦發現 Tc 為 125 K之鉈鋇鈣銅氧化合物(Tl2Ba2Ca2Cu3O10+y)。Putilin 等人又於 1993 年發現 Tc 為 94 K的含汞超導材料 HgBa2CuO4+d,之後 Schilling 等人發現將 Ca 加入含汞超導材料中,所形成的 HgBa2Ca2Cu3O8+d 超導體,其 Tc 高達 135 K,是目前 Tc 最高的超導材料。美國華裔科學家朱經武教授所領導的德州高溫超導研究中心,更發現若將 HgBa2Ca2Cu3O8+d 加壓至 150 kbar,可再將 Tc 提升至 153 K,此溫度已經高於一般常用的冷凍劑 CF4 的沸點(145 K)。

  圖 3 為自 1911 年發現超導現象起的超導體發展歷史,可看出在近10年來在提升 Tc 方面有很迅速的發展。若能將超導零電阻和強反磁性的特性應用普遍化,有人預測這將會引發另一次的工業革命。因此,了解並開發此具有前瞻性的技術,乃成為擠身新世紀科技舞臺的重要課題之一。

 
 

圖 3  超導轉變溫度自 1911 年起的提升情況

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