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創新研究人生樂事~中央研究院吳茂昆院士獲邀中國醫藥大學專題演講「從超導到鋰電池-漫談科技研發的美妙」

中央社/ 2024.04.29 13:41

(中央社訊息服務20240429 13:41:34)超導體是一個很古老的物理現象,在1911年被發現;為什麼會有超導?這事困惑了科學家四十幾年,一直到1957年,科學家才真正理解超導。台灣中研院吳茂昆院士是鑽研高溫超導科學領域箇中翹楚,1987年發現世界第一個高於液態氮溫度的超導體-釔鋇銅氧超導體,被提名諾貝爾物理獎,2008年帶領研究團隊發現超導材料「鐵硒化合物」,提供一個重要平台以了解高溫超導機制,創新學術研究的成就,被稱許為超導體領域最重要的先驅之一。 吳茂昆院士獲邀獲邀中國醫藥大學專題演講「從超導到鋰電池-漫談科技研發的美妙」

曾任國立東華大學校長的吳茂昆院士,4月9日獲邀中國醫藥大學通識教育中心〔博雅經典講座〕以「從超導到鋰電池-漫談科技研發的美妙」為題發表演講,由林昭庚講座教授主持,王陸海副校長、洪士杰院長、陳易宏副院長等校院師生參與踴躍,位於水湳校區卓越大樓國際會議廳座無虛席,會後並開放提問氣氛熱絡,分享科學家創新研究發現的人生樂事。

人生的樂事有哪些?宋代詩人汪洙寫過一首流傳極廣的《四喜》詩有言:久旱逢甘霖、他鄉遇故知、洞房花燭夜、金榜題名時。吳茂昆院士在演講尚未進入主題前,對於「金榜題名」的樂事,他相信同學們都經歷當年錄取大學聯考時的感受,心情一定很高興。

吳茂昆院士回顧往事,1977年到美國念書,剛到沒多久一個多月,有一天晚上接了一個電話,也不知道哪裡來的電話,居然用臺語跟我講話,後來聊了半天,原來是其他臺灣籍的同鄉知道我來美國,拿到聯絡資料來跟我聯絡,叫我一起參加聚會,那種感覺非常溫馨,就是「他鄉遇故知」的快樂感受。

談到「金榜題名」的樂事,2004年吳院士有一次回花蓮,帶了一個團隊在那邊開會,在開會過程,忽然發生兩件事。第一件事,我打開E-mail,看到我當選美國科學院外籍院士,收到那封信真的很意外。過了幾天,李遠哲院長打電話來,他說:「人家要找你去當國科會主委你要不要去?」所以啊!這是快樂、喜悅的事情,我不是妄自菲薄,我是第一位用臺灣人的身分入選美國科學院的外籍院士,這真的是人生一件很快樂的事。

吳茂昆院士憑藉著人生經驗,他覺得快樂的事應該再加一項,就是「創新的發現」。

當你有一個想法,突然有想法會去思慮到底這件事情我會不會做,當有一天你發現你想要的東西實現了,那你快樂的程度,會一輩子難忘。所以,我跟大家來分享一下,這個所謂創新的發現,帶給你人生的一個愉悅感受。

吳茂昆院士進入演講題時,他先講怎樣開始進行這個所謂的「超導」研究,在大學四年級要畢業之前,有一位訪問學者是美國哥倫比亞大學畢業的博士擔任我們大四的專題課程,他來台灣,因為是林懷民先生的朋友,林先生那時候回到臺灣創立雲門舞集,那位老師就跟著林懷民一起來到臺灣,在學校兼課;他開了一門專題討論的課,他的做法不同,不是講講課、考試,他要學生自己去思索、探討一個題目,了解一個新的、有趣的現象,一個學期下來研究之後,做成一個報告,也就是在這門課,我認識了什麼是超導體,變成我一輩子所從事研究的主題,就是那時候所受到的影響。

超導體是一個很古老的物理現象,在1911年,被有名的科學家Onnes昂內斯跟他的助理在一個很意外的情況下,發現水銀在溫度很低的時候,電阻會掉到一個量不到的地步。當初為什麼會發現?第一個,原來的目的想探究金屬材料在低溫的性質,那時候的理論認為「金屬溫度越低的時候,電阻會下降,當接近到絕對溫度0的時候,電阻會為0」。講起來昂內斯的運氣很好,如果當年他不是選擇汞來做研究,可能就不會發現超導現象。因為汞產生超導溫度正好在液態氦蒸發的溫度。昂內斯的發現是一個很大的意外。那時候大家對科學的了解是絕對0度的時候金屬的電阻才會掉到0,沒想到在絕對溫度4度時汞金屬就量不到電阻。

吳茂昆院士相信,Onnes昂內斯當初發現這個現象的時候,一定是異常的意外,他不知道怎麼解釋,所以他給它一個名字叫做超導Superconductivity;Conductivity是導電。超導有另外一個重要的性質,「抗磁效應」。

所謂的抗磁是這樣子,磁鐵所產生的磁力線可以穿透任何物質,可是當材料形成超導的時候,磁鐵的磁力線將無法穿透材料,它會從材料旁邊排掉,不進入穿透到這個材料。這裡現象其實可以簡要瞭解如下:大家在大一普通物理,應該讀過所謂的冷次定理(Lenz’s Law): “磁通量的改變而產生的感應電流,其方向為抗拒磁通量改變的方向”。假如我將磁鐵放在ㄧ個超導金屬上,突然增加的磁通量會使金屬表面產生感應電流。由於在超導狀態時,材料的電阻為零,具有無限大的導電能力,由磁場產生的感應電流,只要超導態不消失,感應電流會繼續存在,抗拒磁通量改變,磁鐵的磁力線因此無法進入材料。當然這個只是簡單的解釋,實際的狀態,需要用到複雜的超導體之電磁學理論。這個抗磁現象,非常重要。大家熟知的磁浮列車跟之磁浮現象跟超導的抗磁特性息息相關。

為什麼會有超導,這現象困惑了科學家很多年;1911年發現,可是一直到1957年,過了四十幾年,科學家才真正理解超導。今天我們所知的超導理論叫BCS理論,是三個人的名字縮寫,第一個是John Bardeen巴丁,他是位偉大的物理學家,是物理學界唯一拿過2次諾貝爾物理學獎的科學家,一次是因為半導體的發現,一次是因為超導的發現;C就代表Leon Cooper庫柏、S是他們的學生Robert Schrieffer施里弗,這是三個人合作研究的成果。

吳茂昆院士介紹說,超導最基本的概念就是兩個電子形成一個配對,所謂的庫柏電子對(Cooper Pair),這個在此,我們簡要介紹電阻產生的概念:金屬之所以導電是由金屬內的游離電子傳導電能。在一般的狀態下,每個電子獨立自由運行,這些電子在行進過程,會遭遇到材料內的其他電子,原子或雜質,此時電子需要改變它的速度或行進方向,也就是說要改變電子的動量(物理學上動量的定義是物質的質量乘上其速度:寫成P=MV)。牛頓定律告訴我們單位時間內動量的變化就是力量(F = Ma = MdV/dt = dP/dt;a是加速度)。這是金屬材料會有電阻的基本原因。

接下來你們會問,為何電子配對可以使電阻消失?我們可以這樣裡理解。超導體內的電能傳輸是透過配對的電子對,不再是單一電子。所以必須以配對的電子之質量中心來描述電子對的運行狀態。因而,當電子對遇到阻礙時,其總動量的變化,將因?個別電子的變化相互抵消而呈現零變化,也就是說超導電子對的總動量不隨時間改變,當然也就美有出現電阻。這裡面當然牽涉到另外一個更重要基礎概念「量子效應」。由於量子效應,這些電子對會出現一個巨觀的凝聚效應。

吳茂昆院士進一步闡述超導體的發展;開始發現的時候,它溫度非常低,它是在這個液態氦蒸發的溫度,絕對溫度大概在4度上下。你如果要用它,這麼低的溫度,需要複雜,困難的冷卻技術,當然現在的科學技術已改善許多,比如說今天到處在用的MRI,主要就是應用超導磁鐵產生巨大的磁場。今天的系統有大幅度的進步,新的技術可以在系統內直接循環使用氦氣致冷,不需要麻煩的填充液態。

過去100多年來,科學家希望能夠把超導溫度往上提升,理想的是能用液態氮當冷卻劑。液態氮是一個非常便宜,很容易得到與使用的一個冷卻劑。然而,從1911年發現,到1986,經過75年,超導溫度只提高到20幾K,以當時發展的趨勢,科學家預估要達到液態氮的蒸發溫度,絕對溫度77K,可能需要兩百年。

因此,在1980年代,很多科學家都認為超導的發展希望不大,不要花功夫去做這個沒有什麼可能的未來。可是不放棄的科學家還是有不少。好的科學家就是有想像力,有新的思維,願意探索新的概念。所以在那個時間,各種各樣的聰明人就出來提出:「我們也許可以用別的方法,新的架構,突破BCS理論所限制的框架」,假如可以用不同方式來做的話,那可能就有機會把這個溫度往上提升。

BCS理論主要以晶格原子振動為提供電子配對的框架,其能提供的能量很低,造成超導溫度無法提升。因此,科學家提出以半導體的能隙(energy gap)來做為提供電子配對的框架,由於半導體的能隙比晶格原子振動所提供的能量超過100倍,超導溫度也因而可能提升100倍以上。吳茂昆院士讀碩士時的論文;就是根據Bardeen與他的學生共同提出的金屬-半導體介面可能產出高溫超導的理論,做一個小小的後續研究。當時,實驗上有些在金屬-半導體合金的研究,如鋁跟矽的合金,發現它的超導溫度會被提升不少,這是一個很有意義的進展,激勵吳茂昆院士將從事超導研究成為他的志願。

吳茂昆院士於1977年去美國,1980年博士念完,決定去阿拉巴馬一個小的城鎮Huntsville工作;主要目的是因為那邊有一個太空中總署的一個研究中心叫Marshall Space Flight Center(馬歇爾太空飛行中心),這個地方非常重要,是美國當年開發火箭的重鎮,美國的紅石火箭就是這邊開發出來。

更重要的是後來開發太空梭,它的引擎的製作都跟這邊有關係。有趣的是那邊有一個大樓約100公尺高,它的目的是把這個太空梭整體放進去,然後利用機械運作讓它整個震動,模擬這個太空梭要升空的過程所產生的巨大的機械力量,驗證這個太空梭的強度是否足夠。它另有一個有趣的應用,因為100公尺高,大家稍微想一下,如果在最高頂點放一個物質,讓它自由落下來,這所謂的自由落體。算一下大概有7秒鐘,這7秒代表該物質呈現無重力狀態,完全不受地球重力影響。

為什麼要做這個,吳茂昆院士就問各位同學一個問題,為什麼有些木塊會浮在水面?為什麼油會浮在這個水面上?當然你想過這個簡單的答案,這是因為油跟水的密度不同,所以在重力之下,比較輕比較密度低的在上面,密度重在下面。早年臺灣第一位太空人(王贛駿博士),在外太空第一個實驗就是將水與油混在一起,證實無重力下油跟水可以完美混合。

在發現高溫超導之前,吳茂昆院士曾經做過幾個有趣的超導研究,也提出了一問題?高壓力下EuMoS8和CeMoS8出現超導性(但有相同樣結構之EuMoSe8則無此現象)— 這些超導相是什麼結構?微重力條件下加工AuGe的Tc臨界溫度可以相對較高 — 其正確的超導相是什麼?為何氧化物LiTi2O4及鈣鈦礦型氧化物BaPb1-xBixO3具有相對高溫的超導性?

1986年,吳茂昆院士當時在阿拉巴馬任教,有兩位瑞士科學家意外的發現,一個新的為鈣鈦礦型結構材料「鑭鋇銅氧」化合物,有可能超導,而且超導溫度大約絕對溫度30度。大家非常有興趣的是它是一個氧化物,為何可以有如此高的超導溫度?當然也就要問,是否可能存在更高溫度得超導體?因此,有很多團隊就開始進行相關研究。朱經武院士在休士頓的團隊用高壓的方法研究這個材料,發現在高壓之下其超導的溫度會從30K慢慢增加到將近40K,雖不是很高,大概是10度的增加,40K已經超過BCS理論上預測可以達到的溫度極限,這當然是很重要的一個結果,用高壓的方式可以讓它產生更好的超導性。

那時候,吳茂昆院士在阿拉巴馬州帶團隊利用化學摻雜的方式,來探討這個材料到底會有什麼變化?很快的他們發現以鍶元素取代鑭鋇銅氧化合物的鋇元素,不需要加壓力,直接可以從30K變成40K,有點像壓力的效果一樣。

吳茂昆院士說,接下來約兩個月時間,與研究生在實驗室進行了一序列化學摻雜的測試,並根據科學家對鈣鈦礦型氧化物之結構穩定性的理論,在1987年一月提出以稀土元素釔取代鑭之「釔鋇銅氧」化合物來測試是否呈現超導性。當初他們在做這個實驗的時候,只認為可能會出現超導,也沒預期它的超導溫度會很高。在一月27日他們第一次測試這個新的材料,材料接上量電阻的導線後,放到液態氦的容器裡慢慢降溫。降溫之後,他們看到這個電阻在下降,剛開始就覺得很不錯啊,因為這個材料明顯是個導體,是個金屬。結果發現隨溫度下降,電阻降的更快,那時他心裡面就覺得這個比預期的好,應該會出現超導。當測量溫度降到絕對溫度約100K時,發現它的電阻急速下降,當時的心理狀態是:一方面是,完了,我們的量測出狀況;或者是溫度計出了問題,溫度的參考點沒弄對。另一方面,卻希望它是真的,那時的心情就是這樣,怕它是假的又希望它是真的,吳茂昆院士說,在實驗室的心情很緊張,很難描述。

隨後,吳院士認為若結果是正確的,他們應可以用液態氮來冷卻,而得到相同結果。他叫學生去拿一桶液態氮,再重複測量,確定他們發現一個超導溫度高於90K,也就是高於液態氮蒸發溫度的新超導體。他快慰的說,不知道大家有沒有中過什麼愛國獎品、大樂透,我是沒有。可是,這個研究結果已經超越障礙,是多年來許多科學家希望實現的夢想。他與學生們興奮到跳起來,手發抖,人很奇怪,你興奮的時候會發抖,有幾分鐘,他們都沒辦法做任何事情;吳院士跟學生說,要再拿一塊樣品測量,確定是不是能有同樣的結果。學生們手發抖得太厲害,無法在樣品上接導線,解果是吳院士親自動手,重複證實了相同結果,證明他們的重大發現。那個時刻確實讓人很難忘,一輩子都不可能忘記發生的情景。

當天晚上,正好是1987年臺灣的除夕,吳院士通常都會打電話回台灣給爸爸拜年,吳院士父親問說:「最近怎麼樣啊」。吳院士回答:「不錯啦,也許過一陣子或許你會在報紙上看到我的名子」。

曾擔任行政院國家科學委員會主任委員的吳茂昆院士,1987發表這篇史上第一次超越液態氮沸點的「溫度壁壘」(絕對溫度77度)而將超導溫度從30K提升到90K(攝氏零下183度)以上,研究突破自1911年海克•卡末林•昂內斯發現超導現象後七十多年的物理學研究瓶頸,為臨界溫度高於77K的材料稱為高溫超導體下了定義,獲得學術界矚目,也被稱譽為超導體領域30年來最重要的先驅之一。

吳茂昆院士演講Q&A互動熱絡

洪明奇校長(右三)偕中醫大師長接待吳茂昆院士(左三)

林昭庚講座教授致贈吳茂昆院士感謝狀

演講會場師生參與踴躍

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