科学家新视野－为何实现室温常压超导体如此困难？

任何科学新发现都必须满足「实验可重复性」此条件，面对新的实验宣称，各研究团队也变得更谨慎。图为半导体示意图。图／freepik

全世界于8月期间烧起一波超导体热潮，起因是南韩团队7月底宣称成功找出室温和常压下的超导体，并发表在未经同侪审核的预印本平台。但多国不同的实验室，包含中国、德国、美国、台湾，依照南韩研究写的条件重复实验后，结论是南韩团队发现的「LK99」材料，性质其实比较接近抗磁性弱的半导体或不良导体，不是超导体。

任何科学新发现都必须满足「实验可重复性」此条件，虽然太多材料的变数或条件会影响实验结果，我们无法期待100％复制某一实验现象，但如果一个新发现的材料，其物理特性的确稳定存在于自然界，只要实验条件在特定范围内，应该会观察到非常类似或几乎一样的现象。自1986年物理学家从铜氧化物中发现摄氏负240度之高温超导现象以来，陆续也有其他实验学家宣称在不同材料中发现常温超导体，最后都被证实为虚幻一场。物理界有非常多「伪宣称」，也就是其他实验室在类似条件下却无法重现这些新发现，而不被学术界接受，面对新的实验宣称，各研究团队也变得更谨慎。

因此确立一个新发现或新理论，常需要漫长的尝试及验证。从1911年科学界首次发现水银这种普通金属在摄氏负269度极低温时，产生零电阻也就是超导的现象，到1957年三位理论物理学家发现，极低温的普通金属，两个电子间因量子力学原理能克服排斥力而出现违反直观的「吸引力」，认为是普通金属会产生零电阻现象的原因，经过40多年，普通金属的超导现象才被科学完整的解释。高温超导体发现至今30多年，全世界物理学家都还在想办法作出或寻找具应用价值之常温常压下的超导体，尽管许多科学家包括朱经武与吴茂昆两位院士提升高温超导体的超导温度至摄氏负183度以上，但常压下要达到超导的特性，目前温度最高只达到约摄氏负135度，距离常温还有一大段路。

由于超导现象是牵涉原子和电子的量子力学效应之其中一种，多在接近摄氏负273度的极低温环境才最明显，一旦温度升高会产生热能而破坏超导电子的形成。所以要达到常温常压下的超导现象，关键是必须让电子间的吸引力不被上升温度的热能所破坏，电子间的吸引力要够强，且超导电子数量还要够多，但要同时满足这两个条件非常困难，是当前研究的瓶颈。如何产生效果更大的超导机制是当前理论与实验物理学家的一大研究方向。但是要找或是合成什么新材料、透过哪些更有效的机制可达到室温常压下的超导体，有些实验室已出现正面的初步成果并努力中，目前仍无定论。

有一个潜力方向是研究铜氧化物变成高温超导体之前的「奇异金属态」，了解此状态如何变成高温超导体，就更有机会借由调控实验变数，创造有利于形成超导的环境与寻找材料，近一步提升超导的温度。笔者的研究团队与美国布鲁克海文国家实验室合作，历经三年半揭开了稀土族超导体形成奇异金属态的机制，今年2月登上《自然通讯》期刊。这类材料变成超导体之前的状态跟铜氧化物变成高温超导体之前极为类似，因此有助于解开形成高温超导体的机制，进而往寻找室温常压超导体迈进一步。