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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