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第287話：能持續運作300萬年的高溫超導電流

高溫超導體應用新技術—持續兩年幾乎沒有衰減的「超電流」（supercurrent），不用持續供電，可持續產生磁場三百萬年！

在生物醫學的研究中，「核磁共振」（NMR）是一種很重要的工具，利用不同分子對磁場的反應，可以用來重建生物體內部的透視影像，還可以用來偵測極為微量的分子，並且追蹤這些分子如何在生物體內移動—你的NMR裡的磁鐵夠猛的話。

因為這個技術太重要了，開發者於2003年獲頒諾貝爾生理醫學獎：包括英國物理學家Peter Mansfield以及美國化學家Paul C. Lauterbur。目前臨床醫學影像用的NMR磁場從0.2~7 T，T是磁場強度單位「特斯拉」Tesla，1 特斯拉 = 10000 高斯（G），地球的磁場大小約為 0.5 G，所以7 T的磁場大約是地磁的14萬倍。動物實驗用的磁場，又更高一些。如果是要做微量的化學分析，磁場就要更高。

這麼強的磁場，必須要使用超導磁鐵，因為永久磁鐵沒這麼強，而一般的電磁鐵開到這麼強的話，電流就要很大，但是由於導線具有電阻所以會發熱，在超大電流之下，一下子就燒掉了。超導磁鐵沒有電阻，所以在上面跑的是不會發熱的「超電流」，除了不會發熱以外，更讚的就是因為沒有電阻電流不會衰減，所以超電流一跑起來，就可以把電源關掉，電流永遠不會停。

要做到這件事，最難的就是線圈的接頭，在這種地方容易因為材料結構的不均勻產生，讓電子在界面上產生散射，破壞了超導性。傳統的低溫超導體是金屬，比較容易加工，已經可以做出很好的接頭，讓超電流可以持續運行，過去的研究中，已經做出可以讓低溫超導體的超電流每小時只衰減一億分之一的接頭，也就是說，經過100年後，磁場的強度衰減不到百分之一。

但是，如果磁場太大的話，低溫超導體會撐不住，所以會用這樣的設計：外圈是低溫超導體線圈，裡面再套一個高溫超導體線圈，內圈裡面的區域是兩個線圈產生的磁場疊合起來的超高磁場，由於這個磁場被侷限在內圈以內，不至於破壞外圈低溫超導體的超導性。

這下問題來了：要維持內圈高溫超導體的超電流，也得能做出好的接頭，來維持磁場的穩定性，讓NMR儀器可以正確運作。不過高溫超導體是陶瓷結構，光是要做線圈就已經不太容易了，要加工做接頭更是困難。

由日本理化學研究所（RIKEN）生命機能科學研究中心的「機能性超高磁場磁鐵技術研究單位」主持人柳澤吉紀所領導的團隊，包括日本超導技術公司（ジャパンスーパーコンダクタテクノロジー株式会社，JASTEC）、JEOL Resonance兩家民間企業、以及科學技術振興機構（JST）研究人員，以RE-BCO高溫超導體做出了線圈與接頭，從2018年開始運行，一開始的磁場衰減率是每小時10億分之一，到了第二年時，每小時的變化率僅有300億分之一！也就是說，在不供電的情況下，電流以及磁場，可以維持三百萬年之久。

所謂的 RE-BCO 超導體裡面的 RE 指的是「稀土元素」，後面的 BCO 是「鋇銅氧」，第一個這類的超導體，就是由朱經武院士與吳茂昆院士所發現的「釔鋇銅氧」超導體。

這個技術的突破，未來可望讓NMR的磁場強度可以更上層樓，進行更精密的分析。

這個研究，發表於2021/09/17的「超導科學與技術」期刊（Superconductor Science and Technology）。

RIKEN/JASTEC/JEOL/JST聯合新聞稿（2021/09/24）：https://www.jst.go.jp/pr/announce/20210924/index.html

Superconductor Science and Technology論文：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6668/ac2120