超導電性能——有什麼令人興奮之處？

在那看來像一個半截的泡沫塑料咖啡杯的東西裡面，有一個由某些黑色材料製成，大小像鈕扣的小彈丸放在底部。在彈丸上面放著一片比彈丸還小的金屬。一位青年學生小心翼翼地把冒煙的液體倒進杯裡，每次只倒一點。圍在桌子四周的觀眾屏息靜氣等待著。

液體落到杯裡，起初像沸騰一般發出嘶嘶之聲。不久就平靜下來，氣氛一片寂靜。然後，那塊金屬小片開始顫抖，輕微地舞動。突然，它自動升起，離開那彈丸而浮在空中！學生拿出一個金屬線圈，在金屬小片下滑過。沒有詭計，沒有花巧——小片的確懸浮在空中！

那是一次超導電性能的實驗，由一群學生在美國加州一間中學裡進行。僅在一、兩年之前，這樣的實驗只能在先進的研究實驗室內舉行，還要有精巧的設備和巨量的經費才行。今日連高中學生也能作這樣的實驗，由此可見這方面的發展多麼迅速。

《時代》雜誌在去年五月刊的封面登出它的故事，題名為「超導體！——可能改變世界的驚人突破。」《新聞週刊》稱之為「電氣新革命」。《生活》雜誌以此作為封面，文章題名為「快餐物理學」，藉此暗示在這方面的進步迅速到什麼程度。那麼，超導電性能究竟是什麼？它有什麼令人振奮之處？

尋求已久的理想

導電性能的定義是，物質輸送電流的能力程度。我們大部分人都知道，某些物質，例如玻璃和瓷器，是不會導電的。另一方面，某些金屬，例如銅、金和鉑，卻是優良的導電體，因為它們對於通過的電流沒有多大的抵抗力。因此，超導電性能的意思是，一種物質對電流完全沒有抵抗力——這種理想情況使電流在超導體中流動時毫無阻礙，也不致喪失任何電力。

科學家們久已預見到這樣的理想物質——超導體——擁有巨大的潛能。例如，以超導體造成的導電線不但無需像普通電線一般由於具有的抵抗力而喪失巨量電力，而且不必在郊區裝置縱橫交錯，既昂貴又礙目的電線。建造組合稠密，以全速運作的巨型電腦迄今還未成為可能，但使用超導體就可以做得到。超導體所具有的特殊磁性可能引進新一代的強大電磁力，這種強大電磁力可使若干在實驗中的發明品得以成功，例如醫學上的掃描，懸浮高速火車、巨型粒子加速器，甚至核聚變能量。

可是，這一切發展雖然令人神往，但卻有一項障礙存在。超過75年之久，科學家早已知道若干種金屬具有超導電性能，但唯獨在冷至極低溫度——低達冰點以下數百度——時才呈現這種特性。1911年，荷蘭科學家奧尼斯(Heike Onnes)初次意外地找著超導體的門徑。由於使氦氣液化的技術成功，他在1913年獲得諾貝爾獎，那時他正在研究低溫對各種金屬的影響。他在無意中發現水銀在華氏-452°（或稱為4K，意即科學家所謂開氏溫標絕對零度以上4度a）時對電流失去一切抵抗力。

超導電性能雖是頗為偶然的發現，但它的價值卻很快就為人所認識。可是，物質在其中產生超導電性能的極度低溫，亦即所謂的躍遷溫度或臨界溫度，卻是個嚴重的障礙。在這樣低溫之下工作所費不貲，而且極為複雜，因此囿限了它的實際價值。在隨後幾十年，科學家以其他物質作實驗，希望發現有些物質在較高的溫度之下會變成超導體，但進度十分緩慢。

可是在這些年間，超導體的其他特性逐漸被人發現。最重要的發現之一是在1933年。研究者留意到，若把超導體放在磁場裡，任何磁通量都不能流過，反之它會排斥磁通量或被磁通量所排斥。這種現象稱為邁斯納(Meissner)效果。正如在上述中學舉行的實驗表明，這乃是造成懸浮的因素。發現這件事促使科學家加緊努力研究較高溫度的超導體。但進度依然慢得像蝸牛爬行一般。近至1973年，最佳的發現便是某種金屬合金在23K（華氏-418°）之下變成超導體，但這樣的低溫仍然不合實用。過了十多年之後，進展依然不大。

溫度逐漸升高！

新的轉機開始於兩位科學家，他們在瑞士蘇黎世的國際商用機器公司(IBM)研究實驗室工作時想起，其他研究家的成功不大也許是用錯了物質之故。直至那時為止，研究所用的材料大都是金屬和合金。「我深信沿著那些路線研究下去決不會有多大進展，」兩位科學家之一的米勒(Alex Müller)說。

1983年，米勒和他的同伴貝諾斯(Georg Bednorz)開始以金屬氧化物作實驗。到了1986年初期，他們已獲致多年來的首次重大進展，在35K或華氏-396°就產生超導電性能。他們所用的是鋇、鑭、銅和氧的混合物。消息最後在1986年9月刊出時，科學界大感驚訝。科學家們在瑞士實驗室用作研究的物質是屬於陶瓷一類；它們本來是絕緣體，因此沒有人想到數十年來研究超導體的最大突破竟來自這方面。

不久之後，新的紀錄接踵而來。1987年2月，由美國候斯頓大學華裔科學家朱經武(C. W. Chu)領導下的研究隊發現了一種物質在93K（華氏-292°）就產生超導電性能。他們以另一種所謂的地中罕有元素——釔——去取代了米勒所用的鑭。

這項成就在高溫超導電性能方面展開了新的一頁。在此之前，科學家要用液態氦使研究的物質降至所需的低溫，這是個費用奇昂和複雜非常的過程。但隨著新的發現，如今科學家可以採用液態氮去冷卻物質，而氮在77K（華氏-321°）就可以液化。液態氮很容易獲得，價值和牛奶不相上下，使用時無需繁複的設備。再加上氧化物質也是易於製造、價格廉宜的，這項發展在研究超導電性能的躍進方面擔任一個重大角色。

當然，最終的目標是產生一種在室溫之下的超導體而毋需任何冷卻過程，舉世的科學家都正在力求達到這個目標。事實上，關於「稍縱即逝」的室溫超導電性能的報導已開始出現了。

1987年5月，朱經武和他的研究隊創下了更佳的紀錄。他們發現了一小部分的研究物質在225K或華氏-54°之下出現超導電性能，但只是間歇出現而已。研究隊的一位隊員何培慶(Pei-Heng Hor，譯音)說：「你觀察到這種現象一次，過了一會兒就消失了，但你會再次看到它出現。」美國伯克利加州大學的另一研究隊則報告他們所研究的物質在292K（華氏66°）曾有超導電性能出現，但他們卻無法復得這種結果。

黃金時代就在眼前？

關於超導電性能的這些令人興奮的消息使許多人以為我們正踏在一個新紀元——一個科技黃金時代——的門檻上。他們聲稱，我們的生活行將發生改變，像以往的許多發明——例如電燈和半導體——使我們的生活大為改變一般。據稱超導體所能成就一切奇妙的事真的已近在咫尺嗎？

美國科學基金會主持人布洛克(Erich Bloch)評論說：「在我們能夠廣泛使用超導電性能之前，首先要獲得充分得多的基本科學了解才行。」關於人造的陶瓷物質何以能發揮超導體功用，科學家還未能夠提出肯確的答案。

由於這緣故，不少科學家認為很可能要等到若干年後，超導體才會離開實驗階段而進入實際用途。美國國立標準局的一位研究家說：「這些物質的潛能極大，但新聞界所定的時間表卻錯了。我們要等到五年之後才會看見超導體在電腦的薄片中面世，到二十年後才會看見超導體受到廣泛使用。」

現存的一項障礙是，高溫超導體物質並不像金屬一般柔順可鍛。這些易碎的物質也不容易彎曲，誰都知道陶瓷餐碟摔在地上時會有什麼事發生。可是，超導體若要實際加以應用，就必須製成幼線和薄片。例如，在電腦和電子集成電路方面，超導體物質必須造成厚度只有一微米的薄片。馬達和磁體需要極幼的軟線來捲繞，電力傳送線則必須堅牢柔韌。

使事情更加複雜的是，科學家們尚未確知超導體物質是否能傳送巨量電流或磁場以應多項用途的需求。一切超導體都有個界限，過了這界限便會失去超導電性能。在目前，這個界限相當低。一切難題也許會獲得解決——但不可能在明天。

可是，這件事也有不祥的一面。現時已有人談及在太空戰爭中使用超導體微粒或引導能量的武器了！超導電性能結果會帶來人人所預言和希望的裨益嗎？抑或結果會像以往其他革命性的發明——例如彈藥和核裂變——一般被人濫用而帶來禍害？這個問題看來沒有人能預先解答。

［腳注］

［第13頁的附欄］

超導體的潛能

「用氮冷卻的超導體可為公共事業節省數十億元——所省下的能量則足以使50或更多間發電廠停開，」《商業週刊》如此說。超導體發電機和電線可以使更多的發電廠設在距離城市較遠之處，從而減低污染、費用和危險。

磁性懸浮火車(maglevs)也許可以用輕量的超導體磁鐵製造，速度高達時速300哩。使用超導電性能馬達的電動汽車可以減低城市的空氣污染。甚至輪船也可用這種馬達開動。

比硅晶體管（半導體）快捷千倍的超導電微型小片裝置已在發展之中。使用微型小片不但使未來的電腦較現時為快，而且減少使用時所生的大量熱力，電腦體積也可以較小。案頭電腦將有今日主機電腦一般的效能。

核子磁性共振掃描(NMRs)和超導量子干擾器(SQUIDs)等機器能夠窺見人體內部和探測腦波。超導體的使用可以減少成本和複雜性，使普通醫院和診所都可以購置這些機器。

超導體的潛能的確十分巨大。其中有多少可以實現出來呢？

［第11頁的圖片鳴謝］

IBM Research