「超導體，我研究了一輩子！」電力傳輸、儲能系統、醫療設備、微波通訊、磁浮列車······你知道都能運用超導體技術嗎？隨著科學界對超導體相關現象的理解越來越深，以及「高溫超導」的發現，超導材料將在生活中扮演不可或缺的角色。本文專訪中研院吳茂昆院士，聊聊超導體目前的進展及未來。
這不是魔法，而是超導體（Superconductor）的完全反磁現象。圖中是一高溫超導體懸浮在磁鐵之下。 圖片來源／吳茂昆提供
超導體：永久電流、完全反磁
超導材料是指當溫度低於某個程度，該材料就會顯現出超導現象。超導現象主要會呈現兩大特性：一個是「電阻為零」，即電流在超導體內部流動時，不會有損耗而能一直流通，成為永久的電流；另一則是「完全反磁現象」，若外加磁場在超導體上，超導體會排除磁場，使磁力線完全不能通過。
超導體自發現以來就被視為極為有發展潛力的科學現象，但早期發現的超導材料如水銀（Hg）、鉛（Pb）、錫（Sn）等超導臨界溫度都低於攝氏零下 260 度，經過科學家幾十年的努力，只將溫度提升了 10 度左右，超導體的研究開始陷入泥淖。
但就在 1986 年， IBM 發現了一種氧化物超導臨界溫度為零下 238 度，相關研究又開始有了進展。隔年，朱經武與吳茂昆團隊發現了「釔鋇銅氧的氧化物」擁有超導特性，震驚了世界！
吳茂昆團隊於 1987 年發現的「釔鋇銅氧的氧化物」，超導形成溫度高於氮的沸點(氮在空氣中佔了 78%)。從此以後，科學家研究超導現象就可使用量多且便宜的液態氮來冷卻。 資料來源：〈高溫超導的鐵器時代─從「銅基超導」到「鐵基超導」〉，作者：吳茂昆。圖說重製／柯旂、張語辰
2008 年時，吳茂昆團隊又發現硒化鐵（FeSe）擁有超導特性，此鐵─硫族系統在製程上較簡易，且毒性相比其他超導材料較低，生物相容性也較高，在應用前景上非常被看好。而更有趣的是，近年來吳茂昆團隊發現鐵硒材料中「鐵的空缺」是開啟超導關鍵的因素之一。
超導體的最新研究趨勢
Ｑ：科學家對「超導體」最新的理解是？
Ａ：目前超導材料有兩個主要的系統：一個是以銅氧化物為主體的，像是我們在 1987 年發現的「釔鋇銅氧的氧化物」，一個是用鐵取代銅的化合物。
銅的氧化物是目前被探究、應用最多的超導材料，很多的元件，包括「超導電纜」都被做出來了，推出於市面指日可待。
由於超導體「零電阻」的特性，使用超導電性傳輸電流將不會有損耗。 資料來源：TED x Taipei ─ 熱情點燃超導體，講者：吳茂昆(影片)。圖說重製／柯旂、張語辰
一般來說我們熟知的氧化物像陶瓷材料等等應該是不導電的，因此這個銅氧化物導電的機制跟一般金屬是不同的，當然它還是以電子電洞來帶動電流，但是電子離子如何引進來、如何運作，這是目前重要的課題，科學家稱這個為「強關聯電子體系（Strongly correlated electronic systems）」，在超導材料中，電子跟電子的交互作用是非常強的。
另一個重要的體系則是用鐵取代銅，成為全新的超導材料架構，像我們最近的研究就發現「鐵」跟「硫化物」形成的化合物也出現了有趣的超導現象，雖然這個體系的超導臨界溫度沒有很高，但是因為結構較簡單，讓我們更加了解超導產生的機制。
「室溫超導」從學理上來看是存在的，問題是存在於什麼樣的材料體系和架構中，現在全球科學家們都還在研究。
Ｑ：團隊的超導體研究，有看見什麼有趣的事嗎？
Ａ：我們自 2008 年發現「鐵硒超導」後，那就成為團隊的重點研究項目之一，當然銅氧化物方面我們也在跟其他團隊合作超導線的應用等等，但科學上重點放在鐵硒相關系統。
雖然「鐵硒超導」架構簡單，但我們發現到鐵跟硒形成的平面體中，很容易出現鐵有空缺的架構，比如說我們目前最常見的是，每四個鐵排列後，第五個鐵就空缺了，然後再重複同樣結構。
鐵硒超導的原子排列圖。鐵硒形成的二維平面結構中，「鐵的空缺」是超導特性的關鍵產生因素之一。 資料來源：吳茂昆提供。
β-Fe4Se5（一種鐵硒超導）的單晶結構示意圖，綠色是鐵原子，粉紅色是硒原子，可以看出鐵原子有規律的空缺。 資料來源：〈高溫超導的鐵器時代─從「銅基超導」到「鐵基超導」〉，作者：吳茂昆。
我們用一些方法來操控鐵空缺的排列，例如控制壓力、控制溫度（急速降溫），發現鐵空缺跟超導的形成是有關係的，同時這個結果也可以用來解釋銅氧化物的一些機制。這也衍伸了我們未來的研究，去尋找有鐵空缺特性的過渡金屬，看有沒有機會形成超導體。
圖 (a) 為K2Fe4Se5的電阻與溫度關係圖，顯示鐵空位呈有序態時材料在低溫呈現金屬至絶緣的轉變。藍色曲線是在攝氏 300 度退火的電阻率隨溫度變化圖。紅色曲線是相同樣品經過攝氏 750 度退火，顯示電阻率明顯下降。 圖 (b)(c) 為添加少量鐵的 K2Fe4+xSe5 (x=0.1, 0.2) 經高溫退火並快速降溫材料的電阻與溫度關係圖，明顯在低溫呈現超導性(呈現零電阻狀態)。 圖 (d)(e)(f) 為樣品的磁化率與溫度關係。 (f) 明確顯示其抗磁性(超導性)之強弱與燒退火溫度的相關性。 資料來源：〈高溫超導的鐵器時代─從「銅基超導」到「鐵基超導」〉，作者：吳茂昆
超導體能成為夏季限電的解方嗎？
Ｑ：台灣夏天會面臨的限電難題，超導體是否能有助解決？
Ａ：目前我們使用傳輸電力的銅線，傳輸時會有 10% 左右的電力損耗，特別是台灣有很多老舊的線路，若改用零電阻的「超導電線」，就可以避免那 10% 耗電，讓被浪費掉的電成為可運用的電。
另一個概念則是「超導體儲能器」。電是很難儲存的，目前我們主要是靠水庫儲電，能儲存的電力有限。但若用超導材料繞成線圈，由於零電阻，電流會永久流動，產生的磁場就是一種能量，我們可以把太陽能發電及風能發電儲存在裡面，要使用時再拿出來用。
運用超導材料繞成線圈的儲能器，運用零電阻的優勢，可以將再生能源發出多餘的電力儲存在裡面，需要時再拿出來使用。 資料來源：Why the wind industry should cheer superconductivity；圖說重製／柯旂、張語辰
另外，也可運用「超導馬達」做成風力發電機，由於超導磁場較強，尺寸可以做比較小、噪音也比較小。我們有個構想，若能用超導馬達做個小型風力發電機，然後運用超導儲能器儲能，就能放在中研院運用、展示。
Ｑ：台灣在超導體領域領先全球的地方為何？
Ａ：由於我們發現了「鐵硒超導材料」，所以這塊以及「鐵空缺」的概念算是有一部分領先的，不過科學也很難說誰領先誰落後，各有千秋，但是基本上我們在這領域不是落後別人就是了。
從七星潭邊的物理少年，到超導物理專家
研究超導體一輩子的吳茂昆，最喜歡讀武俠小說，可以在幻想的世界中翱翔，讓思考不受侷限。 攝影／張語辰
Ｑ：什麼時候開始對「物理」產生興趣？
Ａ：我們那個年代的小孩子主要是受到楊振寧和李政道的影響，唸小學時聽學校廣播他們拿諾貝爾獎，那時候我也搞不懂什麼是諾貝爾獎，但就是激起了對科學的熱情（笑）。
至於為什麼會選擇研究「超導體」，大四時學校有門課是讓同學自己選個主題去了解，我有個同學選了超導，他跟我聊了超導體後，我發現這門學問真有趣，所以後來唸研究所就決定研究超導體，一讀就是一輩子。
其實我的學術生涯算很順利，也還蠻平淡的，但是有很多興奮的發現，很有成就感，其實我算是很幸運的人。
雖然做研究要靠一點運氣，也要看一個人有沒有足夠的知識準備，當實驗過程中看到一些現象，能不能把握住。
Ｑ：1987 年發現「釔鋇銅氧」有超導特性時，是什麼心情？
Ａ：那種感覺很難用言語形容，我在猜可能跟中樂透的人心情很像，不過我是沒有中過樂透（笑）。
但是得到錢的感覺，跟科學上發現新東西還是不同的。我們夢想了很久的東西，沒想到就突然出現了，這是對科學發展有貢獻而獲得的快樂，我覺得從事研究工作最大的回報是這個。我讀博士班時，第一次將材料變成有超導性質也獲得了這種類似的快樂。
Ｑ：會不會覺得現在研究物理比以前方便多了？
Ａ：現在當然是方便很多，不過我覺得以前算是很好的訓練，順練如何在圖書館查資料，如何從一大本目錄中去查論文，利用有限的資源去尋找需要的資料。
以前確實是很辛苦，但是方便也有方便的壞處，我就唸過我們實驗室的學生，不要把機器架好、電腦打開，用自動控制去搜集數據，就去睡一覺隔天再回來看結果，這樣會有個缺失。
當實驗數據某個時刻發生變化，你隔天才看結果，會不清楚這是因為環境變化？還是一個重要的材料特性訊號？
沒有在第一時間看到實驗變化的話，會降低對數據的掌握度及靈敏度。我還是鼓勵測量時要盡量即時去觀察數據的情況。
Ｑ：從小在花蓮成長的經驗，對研究生涯有沒有影響？
Ａ：由於生長在花蓮，生活比較悠閒，學生也不多，老師給的壓力也不大，讓我能夠自由發揮，自由涉獵知識，不會說為了升學就什麼不准做，這讓我的思維比較不受限制。
吳茂昆回憶，當年讀花蓮高中時沒有圍牆，中午休息時大家都跑到學校邊的太平洋岸，和大自然沒有距離。因為熟悉自然界的運作，學物理時就有助於理解物理規則，而非死背定律。
吳茂昆回憶，當年讀花蓮高中時沒有圍牆，中午休息時大家都跑到學校邊的太平洋岸，和大自然沒有距離。因為熟悉自然界的運作，學物理時就有助於理解物理規則，而非死背定律。圖／billy1125@Flickr
在研究科學中，這點其實很重要，不要被某個理論、某個框框鎖在裡面。我覺得這也是教一個小孩比較好的方式，給他一個環境，讓他自由地發揮。
延伸閱讀
- 吳茂昆的個人網頁
- TED x Taipei ─ 熱情點燃超導體，講者：吳茂昆 (影片)
- 〈高溫超導的鐵器時代─從「銅基超導」到「鐵基超導」〉，作者：吳茂昆
- Wu MK*, Wu PM, Wen YC, Wang MJ, Lin PH,Lee WC,Chen TK ,Chang CC , AUG 2015,“An overview of the Fe-chalcogenide superconductors”, JOURNAL OF PHYSICS D-APPLIED PHYSICS ,Vol:48,Issue:32
- Lin, KH * , Wang, KJ , Chang, CC, Wen, YC, Lv, B , Chu, CW , Wu, MK, MAY 16 2016, “ Ultrafast dynamics of quasiparticles and coherent acoustic phonons in slightly underdoped (BaK)Fe2As2”, SCIENTIFIC REPORTS, Vol:6, Article Number:25962
- 採訪編輯｜柯旂
- 美術編輯｜張語辰
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本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位
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