超导体的发现

1、羅烜裕 2003/5/15超導體的發現20世紀初期，低溫物理的發展由於液化氦氣技術的發明，使得低溫研究更進一步地延伸到1 K左右的區域。當時對低溫下金屬所表現的電性仍不清楚，以致各研究群慨法不一，因此許多科學家均積極進行實驗來觀察分析金屬於低溫下的變化。在這些研究群中，位於荷蘭的萊登實驗室也是其中之一，而他們在1911年的發現則開啟了超導體研究的序幕。西元1911年時，萊登實驗室的Kamerlingh-Onnes等人已將許多金屬冷卻至極低溫，發現其電阻會隨著溫度下降而下降。在這些金屬中，某一些種類其電阻在極低溫時電阻會出乎意料的驟降為零，例如水銀(Hg)。水銀在4.2 K以上時仍有電阻存在，但

2、溫度再低至4.2 K以下時，電阻突然消失了！(圖三)，此時電阻值已低於室溫值百萬分之一以下，於1.5 K時更是僅有十億分之一，此時水銀已進入了一種新的狀態，而由於它的特殊電性，Kamerlingh-Onnes等人把此種特殊狀態下的水銀稱之為”超導體”。 羅烜裕 2003/5/15零電阻！導體首先被發現就是因為其電阻非常小，歐尼斯當初為了想求出電阻有多小，他讓超 導體產生一感應電流。一年後再量測此一電流的大小，進而推算出電阻最大只有約室溫的 一千億分之一而已，所以將其視為零電阻是合理的。且超導的零電阻不是逐漸降到零，而 是達到臨界溫度時迅速降低到零。羅烜裕 2003/5/15反磁性！超導體有一項

3、重要的特性，即是會反抗磁場。假如將一塊磁鐵接近一呈超導態的 超導體，此時你會發現磁鐵會有一外力排斥它，就好像兩同極磁鐵接近般。這個現象在 1933年被麥斯納(Meissner)發現，所以又稱為Meissner效應。這是因為在超導態時， 當磁場接近，會在超導體表面產生一永久電流環，排斥外來的磁場。 超導的反磁效應，可以用來屏蔽磁場。磁浮的現象可作為磁浮列車，也 能作成類似軸承裝置，大量減少摩擦。摩擦力非常小的情況下，可以將 動能儲存在磁浮狀態的轉子上，也是一種儲能裝置 羅烜裕 2003/5/15約瑟夫穿隧效應 ！若把兩個超導體中間夾一薄層的絕緣體，則絕緣層也會出現一微弱的超導電流，而能通電。 而

4、在兩超導體上施加某一定的電壓時，則能得到一甚強之共振電流。這就是約瑟夫效應， 這是由兩分開的超導體中的超導電子相互合作產生的。 這一個現象對磁場非常敏感，所以可以利用它來偵測磁場的變化。 最著名的例子即是SQUID， 我們稱為超導量子干涉儀。它可以偵測到非常微弱的磁場變化，這可以 讓我們探索生物中微小電流所產生的磁場，如腦波、神經訊號等，解開 生理上的謎題。電影二十世紀的最後一天中，即是利用SQUID收集 別人的腦波。 它也能用來探測地殼構造，礦藏等。而約瑟夫元件其運作速度為目前半 導體十倍以上，卻消耗不到十分之一的電力，即有可能為下一代超級電 腦的重要關鍵技術之一。 羅烜裕 2003/5/1

5、5第一代超導陶瓷第一代超導陶瓷典型代表為鑭鋇銅氧超導體(LaBaCuO)，它是由IBM公司的研究員貝茲和幕勒 發現的，也開啟此一鋇銅氧化合物超導體的時代。第一代超導的臨界溫度約在30K50K左右， 超導電流在圖中粉紅平面流動。 羅烜裕 2003/5/15第二代超導陶瓷最著名的莫過於釔鋇銅氧(簡稱YBCO)超導體，它也是由朱經武與吳茂昆博士發現 的第一個臨界溫度超過液態氮沸點的超導體。它的結構如下圖，超導電流則 沿此平面流動，或沿底部的銅氧黃色平面流動。 羅烜裕 2003/5/15超導列車由於與地面沒有接觸，磁浮列車沒有一般列車會遭遇到的摩擦力問題，其速度可較傳統列車高，目前紀錄由日本的磁浮列車

6、所創下，為每小時517公里。雖然利用一般電磁鐵的相吸相斥亦可製造磁浮列車，但配置有高溫超導體的磁浮列車由於磁力較強，故可浮的較高；一般僅使用電磁鐵的磁浮列車其離地高度僅1公分，而採用超導體者可達10公分。於實際應用上，此種差異則會造成相當大的影響：若列車運行時遭遇地震，離地10公分的磁浮列車自然會較離地僅1公分高的磁浮列車安全許多。在這方面高溫超導體的優點可說十分顯著，特別是在位於地震帶上的台灣，如想要利用磁浮列車作為運輸工具，利用超導體的磁浮列車絕對是不二選擇。 羅烜裕 2003/5/15核磁共振造影MRI超導體除了在學術、能源及運輸等方面的用途之外，在醫療方面也有所貢獻，核磁共振顯像(Magnetic Resonance Imaging ; MRI)即為一例。核磁共振斷層掃描儀其原理乃是利用核磁共振原理，觀察體內某一種原子核的變化分布(主要是氫原子)，將結果顯像為人體斷層掃描圖，以觀察身體中病灶組織的變化。引起原子的核磁共振現象需要一磁場，又掃描解析度的值與磁場的強弱成正比，在此種考