2023-08-11
室溫超導體旋風突襲!全球科研團隊爭相跟進,資金湧入相關概念股!為何學界和商界熱烈追捧?
未來會改變世界的尖端科技,未必是生成式AI,而是「室溫超導體」!過去100多年,科學家一直想方設法提高超導材料的臨界溫度至「接近室溫」,但始終未能成功,因此室溫超導體被譽為現代物理學「聖杯」之一。近日,有韓國科學家聲稱,找到合成室溫超導體的新方法,造成全球學界和商界轟動,更刺激相關概念股的股價狂飆。超導體究竟是什麼?與常見的半導體有何分別?如被廣泛應用,對未來生活和經濟產業會帶來甚麼顛覆性改變?
超導體具零電阻與完全抗磁性
我們日常接觸到的「半導體」(Semiconductor),是指在常溫下導電性能介乎於導體(Conductor)與絕緣體(Insulator)之間的材料;當溫度升高時,它的電阻率會下降,導電性能則會上升,具有導電性可受控制的特點。透過結構與材料上的不同設計,半導體能夠實現控制電流傳輸的效果,並以此為基礎構成可處理各種電子訊號的晶片,讓半導體得以廣泛應用於手機、電腦、電動車等電子設備上。
那麼,名字與半導體只有一字之差的「超導體」(Superconductor),是否半導體的超級版本呢?答案當然不是。超導體意指在特定溫度以下,呈現零電阻與完全抗磁性的導體。因為超導體導電時沒有阻力,所以傳輸電力時不會有熱損耗和衰減;通電後如沒有人為干預,理論上超導體內部電流可以永不衰竭。
1911年,荷蘭科學家海克·卡末林·昂內斯(Heike Kamerlingh Onnes)利用液氦冷卻水銀,當溫度下降到絕對零度(零下273.15℃)時,發現水銀的電阻完全消失,這種狀況稱為「超導現象」(Superconductivity);引發導體電阻值歸零的溫度,則喚作「超導臨界溫度」。
室溫超導體為現代物理學聖杯
2018年,德國化學家發現,在溫度為零下23℃、壓力為170GPa(約170萬標準大氣壓)的環境下,氫化物「十氫化鑭」會出現超導性,這是目前已知的最高臨界溫度。由於超導體需在極低溫環境下操作,一定要搭配製冷設備一起使用,所以運作成本非常高,難以大規模商業化,應用場景只限於磁力共振掃描(MRI)和量子運算等專業領域。
由此可見,半導體與超導體雖然名字相近,但性質和用途上卻存有明顯差異。在某些應用場景下,兩者可以分工合作,互補不足。譬如由超導導線組成的超導磁鐵,能夠維持巨大磁場而不會消耗能量,通常就要用到半導體來調控超導體的電流與磁場。
至於「室溫超導體」(Room-temperature Superconductor),是指可以在高於0°C的溫度下,具有超導性的材料,這是日常較容易達到的操作條件,故此運作成本遠比超導體為低,應用範圍亦可以更為廣泛。
不少科學家一直懷疑,室溫超導體是否真的可能實現,因為超導現象出現的先決條件非常苛刻:必需處於極低溫度與極高壓力環境下,導體會產生超導性。故此,現代物理學「聖杯」之一正是要開發室溫超導材料。
韓科學家開發出室溫超導體?
2023年7月22日,韓國量子能源研究中心(Quantum Energy Research Center)研發人員,把兩篇論文和影片上傳到論文預印本網站arXiv,宣稱開發出新型的室溫超導體「LK-99」。它是一種改良過的鉛磷灰石結構化合物,處於常壓環境下,加熱至127℃即可呈現超導性。
以Sukbae Lee、Ji-Hoon Kim為首的韓國科研團隊混和了含有鉛、氧、硫、磷的粉末化合物,在高溫下加熱數小時,引發化學反應,讓粉末變成深灰色的固體「LK-99」。(圖片來源:維基百科)
在常壓條件下,以Lee和Kim首字母命名的「LK-99」能夠在127℃呈現抗磁性,懸浮在磁鐵上面,這是超導現象的特徵之一。(圖片來源:翻攝自ScienceCast影片)
根據研發團隊公布的影片,LK-99被放在磁鐵上,能夠保持懸浮狀態;這是材料變成為超導體的特徵之一,即是排斥磁場的「邁斯納效應」(Meissner Effect)。此重量級消息曝光後,全球科學界和商界隨即掀起室溫超導體旋風。這不但因為LK-99無需在高壓條件下誘發超導現象,更因為其製造方法比較簡單,所需設備亦不複雜,僅需短短34小時就能製造出這種超導材料。
不過,LK-99的相關論文尚未經同行評審,而且以往亦有類似的室溫超導體論文遭懷疑數據造假而被撤下,所以有不少專家對LK-99抱持懷疑態度。美國馬里蘭大學物理學家理查德·格林(Richard Greene)指出,盡管韓國團隊釋出的影片教人印象深刻,惟超導現象絕非讓物體懸浮的唯一可能性,也有可能LK-99只是一種抗磁性材料。
中美科研團隊為韓超導體背書
7月31日,美國勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)在arXiv網站發表論文,表示利用美國能源部的超級電腦進行模擬運算,證實LK-99的結構理論可行,為韓國這項室溫超導體研究提供了理論依據。
8月1日,中國華中科技大學科研團隊在bilibili網站上傳一段影片,顯示他們所製造的LK-99同樣可以懸浮在磁鐵上,兼且懸浮角度比韓國團隊的實驗品還要大上一點,但有關實驗的測量值卻未有公布。因此,這段影片頂多再次證明LK-99具有抗磁性,惟大家要明白抗磁性不等於超導性,它僅是超導體其中一項特徵而已。
華中科技大學材料學院的學生於2023年8月1日在bilibili網站發布一段影片,展示有懸浮效果的LK-99晶體。(圖片來源:翻攝自bilibili@關山口男子技師)
隨後,中國科學技術大學團隊、曲阜師範大學高壓研究團隊也發表了LK-99的初步實驗結果,顯示LK-99部分顆粒擁有抗磁性,呈現半懸浮狀態,惟曲阜師大團隊作進一步檢測時,卻發現材料有高電阻率。
曲阜師範大學高壓科研團隊成功復現LK-99實驗結果,顯示其LK-99樣本具有抗磁性。(圖片來源:翻攝自知乎@科研農民工)
事實上,真正的超導體必需具有兩大特性:零電阻與完全抗磁性,缺一不可。中美科研團隊所進行的LK-99復現實驗,只證明它具有一定的抗磁性,但還沒驗證完全抗磁性,而且又沒有發現零電阻特性。由此可見,以上實驗均未能對LK-99是否室溫超導體得出明確結論。
韓專業學會稱無法證明超導性
儘管有不少外國科研團隊為LK-99論文背書,但叫人意想不到的是,LK-99論文第一作者李石培(Sukbae Lee)竟然跳出來表示,該論文存有許多缺陷,本來未有打算在近日發表,但另一作者Young-Wan Kwon卻在未經其他作者的同意下,擅自上傳了論文。他與其他作者現已把論文提交給一家國際學術期刊進行審閱,希望通過同行評審後再正式發表論文。
當LK-99備受各界議論之際,全球熱錢已急不及待湧入與超導體相關的概念股。美國超導公司(American Superconductor Corp.)股價一度暴漲150%。南韓化學品公司德成(Duksung)、高溫超導線技術公司Sunam、以及電子零件製造商Shinsung Delta Tech均連續多天飆漲30%。
有鑑於LK-99事件鬧得沸沸揚揚,韓國超導低溫學會於8月2日決定成立「LK-99驗證委員會」,以驗證LK-99室溫超導體的真偽。針對實驗影片與論文進行分析後,驗證委員會發表結論稱,截至2023年8月4日上午為止,「LK-99不能被證明為室溫超導體。」委員會已向LK-99研發團隊要求提供實驗樣本作進一步測試。該團隊回應指,需待國際學術期刊完成同行評審後,始能提供LK-99樣本,預計評審過程需時2至4個星期。
室溫超導顛覆能源和交通產業
LK-99的誕生之所以引起全球關注,只因室溫超導體一旦出現,世界將會變成另一個面貌。超導體是完全不耗損電流的導體,所以導電時沒有阻力,不會出現熱損耗和電量衰減。現時全球電網大多採用銅或鋁導線傳輸電力,大概有15%的電能損耗在輸電線路上。如改用超導體輸電,節省的電力相當於増建數十座大型發電廠的發電量,大幅緩解供電緊張的問題。
如把超導體引入到電子產品上,晶片之間的互連線路改用零電阻的超導材料來製作,這樣就不會存在散熱問題,可以完全省卻散熱裝置,讓手機和電腦變得更輕薄。此外,由超導體構成的大型線圈,因零電阻的關係,可讓大量電流通過,進而產生超強磁場,可以⽤於磁力共振掃描,提高掃描影像解像度,使得醫學成像變得更加精準。
超導體可以產生強磁場,可應⽤於磁力共振掃描,⽤來檢測癌症、⼼⾎管疾病、神經疾病等。(圖片來源:維基百科)
除零電阻外,超導體的另一特性是排斥磁場,讓磁場無法進入超導體內部,只會在其表面形成一個極薄的磁場層。當超導體在磁場中移動時,會產生一道阻力,使它懸浮起來。因此,只要在高速鐵路軌道鋪設強力磁鐵,列車底部裝設超導體,即可輕易造出的高速磁浮列車。若果在馬路表面鋪上強力磁粉,車輛底部加裝超導材料,那麼未來汽車便不再需要車輪了。
磁浮列車是採用超導體技術的運輸工具,最高時速理論上可達每小時600公里以上。圖中為日本東部丘陵線的磁浮列車Linimo,屬於中低速車型,行駛時速約100公里。(圖片來源:維基百科)
著名產業分析師郭明錤指出,從現有產業技術來看,室溫超導體要實現商業化,目前完全無法定下任何可能的時間表。可是,未來如能大規模商業化落地,超導體的零電阻特性將會徹底顛覆電子設備的產品設計。譬如裝置內部不再需要散熱系統,連接晶片的銅箔基板電路會被取代,甚至先進製程門檻也會被降低,這樣即使是小如iPhone般的手提裝置,都可以擁有跟量子電腦匹敵的運算能力。由超導體構建的高科技未來世界,確實讓人翹首以待。
被譽為「電子產品之母」的印刷電路板(Printed Circuit Board),是組裝各類電子零件需要用到的基板。如板上的電路改用超導材料,電子產品就不再存在散熱問題,同時訊號輸送速度也可大幅提高。(圖片來源:維基百科)
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