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諾貝爾獎系列》物理獎競逐之路 楊弘敦談超導體研究歷程

發佈日期: 2021-01-04

【教發中心提供】中山大學教務處教學發展與資源中心舉辦「國立中山大學諾貝爾獎系列講座」,理學院邀請中山大學前校長、物理系教授楊弘敦分享「(室溫)超導體的發現:競逐諾貝爾獎之路」,解說超導體的研究歷程與諾貝爾獎之間的聯繫,他更歸納出得到諾貝爾物理獎的3研究特性:「愚公移山」、「歪打正著」、「守株待兔」。

楊弘敦教授解析超導體的發現與研究過程,從超導體於1911年被Heike Kamerlingh Onnes發現而獲得1913年的諾貝爾物理獎開始,但當時的超導體僅能在臨界溫度(Tc) 4K以下才能作用,有賴使用昂貴的液態氦才能達成如此低的溫度,因此爾後的超導體研究就致力於尋找更高Tc的超導體。有幸經過約40年的努力,1952年三位美國科學家BardeenCooper和Schriffer提出BCS理論,才完美解釋超導現象,並在1972年獲得諾貝爾物理獎。

不幸的是,該理論預測Tc的極限不會超過35K,當時該BCS的理論對科學家們造成沉重的打擊。楊弘敦教授解釋,科學家為了掙脫該緊箍咒,努力尋找BCS理論不能解釋的超導體,試圖打破35K的溫度限制。終於在1986年,瑞士科學家Müller與Bednorz發現含銅氧化物在30K以上的超導體,掀起後續的高溫超導相關研究。循此線索,1987年初兩位臺裔科學家吳茂昆(M. K. Wu)、朱經武(C. W. Chu)發現釔鋇銅氧(Y-Ba-Cu-O)材料Tc~93K高溫超導體,成功突破液態氦77K的溫度壁壘,該發現也使得Karl Müller與Johannes Bednorz獲得1987年諾貝爾物理獎。楊教授惋惜吳茂昆、朱經武與諾貝爾獎失之交臂,但認為他們以高壓可以提升及誘發超導現象此一發現,對科學界有非常大的啟發。

在發現了Tc高於77K的高溫超導的材料後,還有三項挑戰值得科學家們繼續探究。楊弘敦教授說明,分別是尋找更多有別於含銅氧化物且具有應用價值的高溫超導材料、高溫超導理論以及尋找在室溫下運作的超導體。其中美國科學家Anderson於1987年提出RVB(Resonating Valence Bond)高溫超導理論最具權威性。而今年刊登在《Nature》期刊的研究發現,含碳硫化氫系統在超過200萬大氣壓(267GPa)下c 287K。「許多學生都問我這項研究成果會不會得諾貝爾獎」,楊弘敦教授指出,該研究要獲得諾貝爾獎不無可能,但也有兩個不利的因素,一是200萬大氣壓的條件太過嚴苛;二是該材料的組成物-碳、氫、硫都是非金屬,機械延展性不佳,並非很好的加工材料,因此該研究在科學上雖有啟發意義,但能否有大規模應用,則有待時間的考驗及科學家前仆後繼的努力。

(公共事務組編修)

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