物理學家做出不可能的事，非超導體材料中實現超導性

知識 11-02

哇!

有史以來第一次，研究人員在非超導體材料實現了超導性，這是一種零電阻的導電性現象。

新技術展示了一個在1970年代首次被提出、但直到現在還沒有被證明的概念。它可以導致做出現有超導體的方法，就像是用在MRI機器的方法，或是用在磁浮列車中，在更高溫之下更便宜和更有效率的方法。

來自休斯頓大學(University of Houston)的首席研究員Paul CW Chu說：「超導被用在許多地方，其中核磁共振造影(magnetic resonance imaging，MRI)可能是最為大家所知道的。」

物理學家做出不可能的事，非超導體材料中實現超導性

但如果超導材料更具商業可行性的話，那麼它將徹底改變其他行業的整體範圍。超導體不僅可以被用來建造超快速、無摩擦的運輸系統，就像是磁浮列車和超迴路列車(Hyperloop)，它們也可以使我們整個電網的效率更高。

現在我們所使用的電線，會讓電力從發電廠傳輸到我們家的途中損失高達10％；但超導體根本不會損失任何電力。因此，公用事業公司可以提供更多的電力給我們，而不需要再產生任何電力。

阻礙這一切應用的是，商業用的超導體材料需要被冷卻到大約攝氏-269.1度，以便實現零電阻，這是相當昂貴和能量密集的。

即使仍然在實驗室里測試結果最好的超導體，也無法在攝氏-70度以上出現超導性。研究人員正在努力把這個所謂的臨界溫度(或T c s)接近室溫。

物理學家做出不可能的事，非超導體材料中實現超導性

幾十年來，科學家認為提升超導溫度的更好方法是，找到一種能在非超導材料中誘導出超導性的方法。

這個想法是，如果研究人員能夠找出一種方法來讓普通材料產生超導，它將開啟新的方法讓超導材料在更高的溫度下運作。

現在，藉由在材料的兩個相位的相遇點(稱為界面)誘導出超導性，休斯頓大學的研究小組已經邁出了第一步。

他們在一種非超導材料鈣鐵砷化合物(CaFe2As2)，實現了這一點。

物理學家做出不可能的事，非超導體材料中實現超導性

研究人員寫道：「長久以來提出提升T c s的一種方法，是利用人工或自然組成的界面。」

「目前的研究清楚地展示，眾所皆知的非超導鈣鐵砷化合物，它的高T c s可以藉由反鐵磁性(antiferromagnetic)/金屬層堆疊(metallic layter stacking)來誘導，並且對於在這個化合物界面提升的Tcs，提供迄今最直接的證據。」

物理學家做出不可能的事，非超導體材料中實現超導性

那麼它是如何運作的呢？超導性可以在兩種不同材料聚集在一起的界面處被誘導、或什至被提升的想法，是在1970年代首次提出。

但是，雖然許多研究小組試圖證明它的工作原理，過去達到超導的實驗，無法排除應力作用或是化學物摻雜不會混亂實驗結果。所以實驗的效力從來沒有被驗證，直到現在。

為了驗證發生了什麼事，休斯頓研究人員在環境壓力下工作，並使用純凈的鈣鐵砷化物。

然後他們把材料加熱到攝氏350度，以達到所謂的退火(annealing)過程。這個過程是材料在加熱後緩慢地冷卻。

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由於它不均勻地冷卻，這個過程在鈣鐵砷化物中造成兩個不同的相位。

雖然這兩個相位都不是超導，但研究小組能夠在這兩個相位的共存點偵測出超導性，證明這個界面假說是真的。

鈣鐵砷化合物大約在凱氏25度出現超導性，這大約是攝氏-248.15度。因此，它仍然無法用於工業。

但下一步將是使用這個相同的過程，來找到使現有的高溫超導體在這些界面處更有效率的方法。

在這種技術商業化之前還有很長的路要走，但在朝向開發未來更廉價和更好的超導材料，它是很有希望的一步。

來發展那些懸浮列車吧。

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