超導體及其應用─呂錦文博士演講記要
鄭德昌

【聖地牙哥台美基金會台灣中心舉辦的認識科學演講討論系列，於2007年4月22日在台灣中心大禮堂召開第六次的演講會。邀請到的講座為曾經任職美國橡樹嶺國家研究所資深研究員近30年資歷的呂錦文博士，他演講的題目是「超導體及其應用」。呂太太劉美娥女士並準備了精美的稀飯小菜和水果，讓會眾於演講後享用，大家盡情而歸。

在這個演講裡，講座呂錦文博士先簡單地描述人類發現超導體的歷史，然後深入淺出地解釋這些超導體的一些性質和原理。在演講中，他又列舉了一些現在發展中超導體的材料和生產形式，介紹一些相關的科技如材料科學和冷卻系統等，和說明超導體現有和將來的一些可能應用。本文只記錄該演講的部分概要，讀者若想知道較詳細的內容，請務必直接請教呂錦文博士。】

我們都知道當電流通過例如電線等導電體時，電線會發熱，那是因為導電體裡具有電阻，電流通過導電體時就會有電阻消耗而產生熱。而電阻的產生，則是因為電流通過導電體物質時，電子和物質的結構原子核發生碰撞的結果。溫度越高，物質的結構原子核就振動得越厲害，因此電子的碰撞也越多，電阻也隨之增加。

所謂超導體，其實指的是一種電流通過時可以沒有電阻的物質。因為沒有電阻，電流通過時就沒有電能的消耗。因此如果應用在高電能消耗的設備上，則可以省下許多能量的消耗和金錢。超導體也可以用來偵測到非常微小的磁場﹝10-14 T﹞，也可以產生巨大的磁場強度﹝20 T﹞，因此也有一些獨特的功能。

到底超導體是怎麼一回事？它的原理如何？一般說來，人類開始知道使用電能以後，從經驗上也了解到，周遭環境的溫度降低時，金屬導體的電阻也會隨之降低，但是不會降到零。可是如果這個導體是超導體的話，那麼在外界的溫度降到一個臨界溫度之下，它的電阻卻會完全消失而降到零。人類首次發現這個超導體的特殊現象，是在大約一百年前﹝1911﹞，當時的荷蘭籍物理學家Heike Kamerlingh Onnes 作實驗時，把金屬汞的溫度降到液態氦﹝He﹞的溫度﹝絕對溫度4.2K﹞，他發現汞的電阻完全消失降到零了。隨著這個發現以後，許多物理學家繼續研究，想要了解超導體的原理和現象，以及可以使用的材料。但超導體能夠真正商用，則還要等到50年後的1962年，當時美國的西屋公司﹝Westinghouse﹞研發的結果，才生產出以鎳鈦合金﹝NbTi﹞製造出來的超導體電線。

但是超導體的原理如何？首次能夠被大家接受的理論則是1957年三位美國伊利諾大學的物理學家John Bardeen，Leon Cooper，和Robert Schrieffer 提出的所謂BCS理論﹝使用三人姓氏的第一個字母合成﹞。這個BCS理論主要是認為電子在超導體裡凝結成為量子的基態，因而可以造成集體有秩序的流動，在這種狀態之下流動的電子和超導體物質的結構原子核發生碰撞的次數可以降到零，因此就沒有電阻的產生了。因為在物理科學上的卓越貢獻，這三位物理學家後來都得到了諾貝爾獎。

超導體的發現到1980年代為止，因為所需要的溫度相當低，它的應用還都是建立在液態氦供應的冷凍環境之下。這個溫度是4.2 K﹝攝氏零下負268.8C﹞以下，因此實際的商用還是相當有限的。大型的應用大約是使用在高能物理實驗所需的加速器系統，以及將來磁控核融合電廠所需要的高磁場強度的磁鐵，和利用高電流磁場通量來儲存電能的設備。

如果超導體所需要的溫度能夠提高的話，那麼人類在生活上可以使用這個物理現象的可能性就會大大地提高了。1986年，瑞士籍的物理學家Alex Muller和Georg Bednorz共同發現了一個突破。他們發現一種溫度只要降到30 K就產生超導的陶瓷氧化銅材料：(La1.85Ba.15)CuO4 。相對於4.2 K的超導體，這種新發現的較高溫超導體就被通稱為「高溫超導體」。

緊隨著這個發現的次年﹝1987年﹞，當時任教於美國阿拉巴馬州一所大學的台灣籍物理學家M. K. Wu ﹝吳茂坤﹞把這個陶瓷材料加以修改，以釔元素﹝Y: Yttrium﹞取代了鑭元素﹝La: Lanthanum﹞，變成YBa2Cu3O7﹝簡記為YBCO﹞，竟然發現了這個溫度可以高達92 K﹝攝氏零下負181C ﹞的超導體。這個發現相當重要，因為超導體的應用從此可以進入使用比較普遍的液態氮溫度領域﹝液態氮氣化的溫度為77 K，相當於攝氏零下負196C﹞。由於這一連串的重大發現，隔年，諾貝爾委員會馬上頒獎給了那兩位最先發現高溫超導體的瑞士物理學家。

吳茂坤的實驗發現，說明了超導體的臨界溫度，其實還可以高於液態氮的溫度領域。當然如果超導體的溫度可以到達室溫的話，那麼我們的世界就會整個改觀了。我們現在知道的比較可以商用的超導體有下列材料：低溫超導體─NbTi﹝臨界溫度9.8 K﹞和Nb3Sn﹝18.1 K﹞；高溫超導體─YBa2Cu3O7﹝臨界溫度92 K﹞和Bi2Sr2Ca2Cu3O10﹝110 K﹞。

超導體磁鐵可以產生高強度的磁場，目前已經應用在核磁共振掃描﹝Magnetic Resonance Imaging，簡稱MRI﹞的醫學儀器以及研究高能物理的加速器系統等。其他將來大型的應用如磁控核融合能源，以及高溫超導體在電力輸送系統和高速交通工具的發展等都在進行研發中。

一般說來，使用超導體時所面臨最重要的基本問題，應該是超導體的穩定性。其他當然還有各種不同的問題，要看應用時的溫度以及裝置的大小，而有各類的不同程度。當溫度降低時，所有物質材料的比熱都會隨著降低。大量電流流過超導體時，因為存在於材料裡的雜質，難免還會產生微量的熱能。這些熱能將可能把超導材料的溫度提升到臨界溫度以上。在這情況下超導的性質將完全喪失，恢復到原來可能不是很好的導電材料，大量的電阻熱即馬上產生在原來是超導體的材料上，如果是高電流高磁場的巨大裝置，這個後果不想而可知。因此在這樣的裝置設計上，一般都會考慮到高效果的冷?系統，以及附上金屬性質的高性能導體。這樣就可以在突發狀態下，讓大量的電流轉移到導電比較好的金屬上流動，減少在超導體上產生的熱量。

目前已經商用的核磁共振掃描儀器因為裝置比較小，這種熱量產生的問題比較容易解決。但是它的應用，也有磁場是否能夠均勻分布在人體裡的設計或技術問題。在產品的設計上，這些都是必須考慮改進的。

超導體在將來應用上最大的研發問題，當然最先要看使用的材料是否恰當，是否能夠生產出大件而耐用的超導體成品。這個問題的嚴重性，尤其是針對著高溫超導體的應用。

超導體的現象，和人類的生命一樣，都讓人著迷而想去了解。也正如人類的生命一樣，必須有了適當環境條件的提供和維持，超導體的性質才能表現出來。雖然超導體的單獨應用可能是極有限的，可是由於它的應用，許多科技裝置的使用卻因此而可以實現。

在科學的領域上，一個人最後會學到了絕對不說不可能，因為更新的事物和方法一直不斷地出現。

【呂錦文先後在台灣的國立師範大學﹝學士1964﹞和國立清華大學﹝碩士1967﹞，以及美國匹茲堡大學﹝博士1972﹞修得學位。經過三年在印地安那大學和威斯康辛大學後博士研究後，於1975年進入設在田納西州的橡樹嶺國家研究所。他在橡樹嶺國家研究所的核融合能源組工作了29年後，於 2004年以資深研究員身份退休。在橡樹嶺國家研究院的前半段時間裡，呂錦文從事核融合反應爐所需的超導磁鐵的研發。他在導管內包纜線式超導體的研發，有先驅的貢獻。他是大線圈計劃的主要測試與分析師之一；在這個計劃裡，由四個不同國家提供的六個大型超導磁鐵，安裝成環影線形，做核融合超導磁鐵的測試。在橡樹嶺國家研究所的後半段時間裡，呂錦文從事電動力應用所需的高溫超導磁鐵與電纜的研發。他是高溫超導三相同軸電纜的主要研發人之一。呂錦文在超導體及超導磁鐵的穩定和驟停問題的研究，從低溫超導體延伸到高溫超導體。】