帶你一口氣看懂超導體之亂!

前言

這一個禮拜最夯的科技新聞就是南韓科學家宣布製成"常溫常壓超導體 LK-99"

每次有類似的科學或醫學突破，總會引起舉世關注。在這股旋風下，我們也應該對超導體有些基本的認識。此外除了正經八百的物理學科普外，我們也順便聊聊那些檯面下的風風雨雨......。

LK-99命名由來?

以第一作者李石培(Sukbae Lee,音譯)和第二作者金智勳(Jihoon Kim,音譯)的英文姓氏為名。數字99則是代表發現此化合物的1999年。

超導體是什麼? 原理與特性?

超導體要具有二個特性: 1. 零電阻 2. 具有邁斯納效應(Meissner Effect)

左圖中，讓金屬的溫度下降，降到恰使電阻為零的溫度稱為臨界溫度。此時若將金屬通電，因為零電阻的特性，電流將永不耗損，金屬也不會因電阻產熱。與此同時，低於臨界溫度時會產生所謂邁斯納效應，即超導體本身會阻擋磁力線通過(如右圖)，若將超導體放在強磁場中，理論上能飄浮在其中。

通常生成超導體除了溫度要夠低外，還會對金屬本身施加高壓(幾萬~幾百萬個大氣壓)，來滿足超導體存在條件。但由於條件嚴苛，一直無法廣泛應用及商業化。

常溫常壓超導體的魅力何在?

在一般環境下即可表現超導體特性。試想如果需要將材料維持在超低溫和超高壓的環境之下，光是額外花費的電力就直接抵消了超導體帶來的省電好處。

LK-99在攝氏127度以下，不需加壓即可展現超導體的特性。再則主要材料並不昂貴，鉛銅都是常見金屬，成本不高。實用性和商業化的可能性就大增。

如果商業化，哪些產品將可受惠?

第一是發電廠。台灣每年經由銅製電纜損耗的電力約10%，老舊的電路損耗更多。如果以常溫常壓超導體製成電纜，理論上可以避免這10%的損耗，提升能原可用率。

第二是電腦之類的計算機。因為零電阻，自然電路不產熱。主機風扇等散熱器將會走入歷史，而手機將會有接近量子電腦的運算力。

第三是磁浮列車。運用超導體的邁斯納效應(Meissner Effect)，車身不會和軌道相觸，摩擦力消失，列車速度更快更安靜。

第四是醫療用的核磁共振(MRI)。用電流通過超導線圈，產生強大高效的磁場，有助於形成更清晰的影像。

超導體之亂前傳

李石培 和金智勳是高麗大學教授崔東植的學生，研究項目就是超導體。崔東植教授1994年發表了關於高溫超導體的ISB理論(inter atomic superconducting band)，當時學術界質疑此理論天馬行空，後來未受重視。

然而1999年時偶然發現一種鉛、銅和磷酸的化合物展現出超導體的特性。從2008年起至崔東植教授去世的2017年間，他們在現今稱為"韓國量子能源研究中心"(其實就是個小地下室,如上圖)，不斷的測試各種參數和製成方法，但並未成功。來到資金快斷炊的2018年，他們接受了資金贊助，條件是讓高麗大學教授權英完(Young-Wan Kwon,音譯)空降加入團隊研究。

經過三年的研究，獲得了初步的成果。於2022年和今年三月申請專利"含超導體的低電阻陶瓷材料"。但是在理論和製程複現方面，一直無法提出令人信服的說法，於是他們邀請美國威廉瑪莉學院的物理學教授金鋐泰(Hyun-tak Kim,音譯)加入，進行理論方面的補完和替論文背書。

四月時團隊曾在韓文期刊<Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology>上投稿，但並未引起重視。

以上是今年七月前的狀況。

超導體之亂開始

7月22日

有兩篇論文。先後被上傳到arXiv網站上。第一篇作者為李石培、金智勳及權英完三人。後面那一篇作者為六人，包含李石培、金智勳及金鋐泰，獨缺權英完。

arXiv是論文預印網站，文章未經同儕審查(Peer Review)。不是正式的學術期刊。

第一篇三人論文對理論和製程多有缺漏，還有人開玩笑說把摘要(Abstract)看完就差不多沒料了。但第二篇比較詳細的說明了理論和製程的核心。

7月27日

金鋐泰(Hyun-Tak Kim)回應第一篇<首個常溫常壓超導體>論文存在許多缺陷，未經他的允許就被傳到arXiv上。

7月31日

美國勞倫斯柏克萊國家實驗室研究員格里芬（Sinéad Griffin）計算模擬出理論可行，以超級電腦運算LK-99的結果顯示，銅原子滲透到晶格中的路徑處於適當的條件和位置，它們就能夠具有超導的共同特徵。但她在8月2日在twitter上澄清，她從未替LK-99背書，只是提出有這個可能而已。

8月1日

團隊在arXiv重新上傳了他們修改過的版本，修正了一些小錯誤並且增加一個樣本的測試結果。

美國超導(AMSC)在開盤前飆漲140%。台灣和南韓的超導概念股也開始飆漲。

8月2日

韓國成立超導低溫學會驗證委員會。

8月3日

驗證委員會向研究團隊請求提供樣品驗證。但團隊回覆說目前論文正在審查，需2-4週才能提交。委員會只能就目前的論文和影片發表評論: "因LK-99未展現邁斯納效應，無法證實其為超導體。"

8月4日

中俄各國開始發表複現成果，但均未能同時在常溫常壓下表現""零電阻"和"邁斯納效應"的特性。 Hyun-Tak Kim上傳了一段LK-99在磁場中浮起的視頻，被質疑其並非超導體的邁斯納效應所致。

8月6日(本日)

台大進行了四個小時的實驗直播，結論是觀察到有抗磁性，但沒有出現超導抗磁性和零電阻。

​接下來呢?

有專家說驗證LK-99為真只需要2-3天，只要檢驗團隊提出的樣品即可。但是確認其為假，則需要30-50天。因為在復現過程中有可能會意外成功或是找出新方法。

常溫常壓超導體是一場騙局?

就研究團隊的態度來猜測，他們對自己的研究充滿信心，覺得得諾貝爾獎機率頗高，所以才會有前後兩篇搶當第一的事情。1993年諾貝爾生理醫學獎得主理查羅伯茲(Richard John Roberts)曾提出十個有助於得諾貝爾獎的小撇步，第三條就是"別跟超過兩個人合作"(諾貝爾獎一項最多頒給三人)。所以第一篇的作者才會是三人。

就目前復現的結果來說，並無證據顯示LK-99同時具有超導體的兩個特性。在磁場中懸浮並不代表是超導體。2010年的搞笑諾貝爾獎就是以磁浮技術讓青蛙在磁場中飄浮。那我們能說青蛙是超導體嗎? (笑)

當然也有一種情況，就是團隊偶然的做出了超導體。但是如何才能穩定的重覆這個結果，他們還沒研究出來。他們研究了那麼多年，以及製作方法難度不高的前提來看，若是他們已經充分掌握製成方法，應該可以拿出不少樣品以供測試。用樣品直接打臉不是最有說服力? 怎麼還會有委員會跟你要樣品，你說要下個月才能給這種事?

目前我覺得機會一半一半。讓我們看到九月吧!