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从 1913 年，荷兰物理学家、超导现象发现者海克．昂内斯（Heike Onnes）受颁诺贝尔物理奖以来，陆续有众多科学家也获得诺贝尔桂冠，表扬他们在研究液氦、超流相、超导及其他低温物理方面的成就。  荷兰物理学家、超导现象发现者海克．昂内斯（Heike
Onnes）。 超导是自然现象：当一电导体降温到它的特定超导转变温度 （superconducting transition temperature，简称 Tc），电阻会完全消失。 从有到无的突变，似乎很难想象。但水蒸气会在它的冷凝点 100 ℃ 变成水、水在凝固点 0 ℃ 又变成冰，我们司空见惯，没有人会讶异。而从有电阻的正常态到零电阻的超导态，和这些气态、液态、固态间的突变，都属于自然科学中的相变。其他类似的突变，就我们已知的包括铁磁（ferromagnetism）或反铁磁 （antiferromagnetism），铁电（ferroelectricity）或反铁电（antiferroelectricity），以及液氦的超流态。 这些自然界奇特现象，在被发现以前，没有人会知道它们的存在，也绝不可能经由技术去发明。一旦被发现后，科学家才经由研究去了解。无可否认的，除了液氦的超流态以外，各种相变都已有了很多应用，促进工业、经济进展，提升人类生活质量。 一直到今天的高科技时代，任何物质的相转变温度，都无法预测，仍得靠实验数据。当然了，要是有一个新材料，可以是合金或化合物，只要不会因热分解，我们都能从经验，大致猜到它的熔点。看似例外的二氧化碳，在极低温下是俗称干冰的固体；升温到
-78 ℃，不经过液体而直接气化；但在高压，超过
5.1 大气压时减温，气态仍是先变液体、再变固体。
从这里，可以领悟到： 「压力」和「温度」在热力学中占同等地位，我们习惯的常温、常压在自然界中并没有绝对意义。 这也指明，为什么科学研究必需延伸到高、低温及高、低压。在技术上，改变温度比改变压力容易得多，所以一般实验是由升、降温着手。有进一步需求时，再调整压力。类似温度有不同的温标，文献中压力也有不同的通用单位：bar、atm（标准大气压）、及 Pascal （简称 Pa）。 高压换算：1
kbar = 0.987 katm = 0.1 GPa （k 是 103、G 是 109）。 铁磁转变 无论如何，除非会在加热时分解，几乎所有物质，在适当的压力情况下都会有固态、液态、气态间的相变。相对的，超流态相变只发生在液氦。 介于两者之间的铁磁转变，有材料的限制：它们的原子必须带有磁矩 （magnetic moment）。铁磁转变温度 （例如纯铁的 770 ℃）以上是顺磁性（paramagnetism）：在外加磁场中，只有随温度而定的部分磁矩顺着磁场方向排列。转变温度以下，不需要外加磁场，原子磁矩就会同方向排列，成了铁磁性。铁磁性也就是永久磁铁的基本特质。 反铁磁性是指在转变温度以下，原子的磁矩正、反相间排列，抵消为零。铁电及反铁电与铁磁及反铁磁相似，只是原子磁矩被电偶（electric
dipole）取代，也是限于少数材料。 超导体 至于超导体，一般分为两类：1987 年出现所谓「高温」超导体（high-Tc superconductors）的铜氧化物，有 100K （-173 ℃）附近的转变温度，远超过了传统超导体（traditional superconductors）的 20K 左右上限。有关的文献很多，不在这里赘述。只是指出，尽管传统超导理论已在所有相变中最为完美，但仍无法预测任一物质是否会有超导转变、更不必谈超导转变温度了，还是得靠实验。  一块超导体沿着磁道道前进。 【回顾历史】汞是第一个被昂内斯在
1911 年发现的超导体。一个世纪后，今天已知的超导体，种类繁多，尤其是合金，可以连续改变成分的比例，使得超导体的数量，没有了有意义的答案。 电导体异于绝缘体，因为有部分电子可以在整个固体中自由运动。超导体除了必然是导电的固体外，有其他要求吗？到底超导可被认为是自然界中很特殊（类似液氦的超流），或是很普通（类似固态、液态、气态间相变）的现象？与其给一个似是而非的答案，不如就从周期表中，简单的看一看，多少元素有超导转变？都是意料中的吗？其他非超导体的，是否有易于被接受的理由？ 从周期表看超导体 有一点可以肯定，纯元素都属于传统超导体。这一类超导体的理论机制，主要是晶体中的离子，经由与自由电子的交互作用、形成瞬间生成和消失的「虚声子（virtual phonon）」，而虚声子导致两个有相同动量值，但方向相反的自由电子成为零动量的电子对（electron pair）。因此，当电流通过胜博发超导体，虽仍有电子和离子间的交互作用，但不产生电子整体的能量减少，或是晶挌振动的能量升高，也就是为什么，从整体现象来看，就没有了电阻或是热的产生。 尽管这里的讨论着复位性，只有一些特殊情形，才会比较超导转变温度的高底。但是不妨提一下，已知的超导元素中，以铌（Nb）的 9.2K 为最高，而钨 （W） 的 0.015K 为最低。也顺便说明，同一元素可以因晶体结构不同，有不同的超导转变温度。例如镧（La）的六方密排体（hexagonal-close-packed）或面心立方体（face-centered-cubic）分别为 4.9K 或 6.0K。再有一点，对理论和应用都有相当贡献的是薄膜和块材间性质的差异。例如锡（Sn）的 Tc，块材时是 3.7K，但在 1,000埃 （?）左右的薄膜中可以达到 4.6K。为台湾科技产业奠基的元老李国鼎先生，早于 1936 年，就参与英国剑桥大学对液氦中锡薄膜的研究，是华人在低温、超导工作的先驱。  周期表中，超导呈现在常压 （红色）、高压（蓝色）、或薄膜（绿色）情况下的元素。 在周期表中，标明呈现超导的元素。利用元素间的周期性，可以大致作出一些结论：
1. 从氢（H）到銤（Am）的
95 个元素，有超过半数的
54 个超导。其中
30 个，转变在常压下发生；23
个需要在高压下；而唯一在薄膜中才会发生的是铬（Cr）。
2. 第七周期，从锔（Cm）开始后段的元素，只能在高能实验中形成，量少、放射性强而不稳定，至少目前还无法形成可用以量测的固体试样。因此，它们是否会有超导转变，仍是未知数。
3. 最后一族的 6 个不与其他物质发生化学反应的惰性气体，氦（He）到氡（Rn），虽然可在低温固化，但是它们没有自由电子，也就不会超导。
4. 理论上，超导与铁磁不能共存，因为在超导态中，形成电子对的两个电子有相反的自旋（electron
spin）。离子磁矩若有序排列呈铁磁性，就会破坏这种组合。属于这类的非超导体有过渡元素中的钴（Co）和镍（Ni）。铁（Fe）应该也是一样，它的超导性（Tc
≈ 2K），是因为在
150 kbar 以上，原有产生铁磁性的磁矩由于离域状态（delocalization）消失。镧系中，除了铕（Eu）之外，从镨（Pr）到镱（Yb）也都带有相当磁矩。
5. 高压引发的超导态，主要是因为压力导致固态晶体结构改变，使得在常压下不见的转变在新结构中发生。例如第五族的磷（P,
Tc = 5.8K）、砷（As,
0.3K）、锑（Sb,
3.6K）分别需要
17、15、8.5 kbar 的高压。
6. 超导元素中，最令人讶异的可说是我们赖以生存的氧。常压下，氧在
90K 液化、55K
固化，由双原子分子（O2）构成的晶体没有自由电子，根本是不导电的绝缘体。但压力超过
950 kbar，会有晶体结构改变，同时引发金属性。再高到
1,000 kbar （近
100 万大气压），就成了有
0.6K 转变温度的超导体。  为何在常温下最好的电导体，包括铜（Cu）、银（Ag）、金 （Au）反倒不超导？ 7. 最有趣的问题：为何在常温下最好的电导体，包括铜（Cu）、银（Ag）、金 （Au）反倒不超导？其实这也可从传统超导理论中，找出原因：超导态中自由电子形成电子对，是依靠虚声子的生成和消失，而虚声子则是受电子和离子交互作用激发。好的导体，电阻小，是因为电子和离子交互作用弱，反而使得虚声子、及电子对不易生成。当然也有可能，超导态会在比今天可达到的低温更低的温区出现。既然理论无法决定，只有靠时间，等待技术的提升了。 8. 最有挑战性的是高压下的固态氢。理论上，在所有元素中，它有最轻的离子和最大的自由电子密度，有助于虚声子和电子对的形成，成为超导体，并且有相当高转变温度的可能，但是实验一直没有成功。直到 2015 年后期，有研究报告，在极高压下，固态硫化氢（H2S）呈现金属性。而在 1,500 kbar（差不多是 150 万大气压）下，冷却到 203K（-70 ℃）时，就有了超导转变。203K 是今天所有超导转变温度最高的记录。这份令人惊喜的结果，被认为有可能，来自主要成分氢的贡献。 其他元素，例如钠（Na）、钾（K）、镁（Mg）、铂（Pt），不超导并没有任何理论上的支持。或许只是有限的实验尚未达到适当的高压和低温。让我们拭目以待。 往回看，许多现象，包括超导，虽然它们在自然界中，极为普遍，但是假如没有低温科技，我们就不会知道它们的存在。更不会利用到它们，对人类生活可以有重大贡献的潜力。也许这就是自然法则：要求新、要突破、就必需尽可能向前所未知的领域深入研究。低温科技如此，太空、奈米、生物科技又何尝不是？ |
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