【深造物理】為何全世界都在追高溫超導體？從零電阻到城市能源革命

想像一下：你家裡的電器、辦公室的伺服器、甚至港鐵行駛的列車，所用的電力在輸送過程中幾乎不再發熱、不再浪費——電線像無摩擦的滑梯，電流滑過去不掉速。這不是科幻，而是超導體（superconductor）帶來的可能。問題是，超導要「凍到好冰」才行，通常要用昂貴又稀缺的液態氦（liquid helium）。所以科學家和工程師都在追：可不可以把超導變得「不那麼冷」——甚至有一天在室溫、常壓也能超導？這就是「高溫超導體（high-temperature superconductor, HTS）」的核心追求。

超導是甚麼？比「零電阻」更關鍵的兩件事

超導現象有兩個關鍵特徵：

• 零電阻（zero resistance）：在超導狀態（低於臨界溫度 Tc）下，直流電流可以無耗散地持續流動。
• 美森效應（Meissner effect）：超導體會把外加磁場排斥出去（磁通被排斥），這不是單純「電阻變零」的金屬可以做到的，代表它是一個全新量子相（quantum phase）。

材料進入超導態，是因為電子會配對形成「庫珀對（Cooper pairs）」。在傳統金屬（例如鉛、錫）中，這對配對的「膠水」是晶格振動，也就是聲子（phonon），這就是 BCS 理論（Bardeen–Cooper–Schrieffer）所描述的機制。可是，在高溫超導（例如銅氧化物 cuprates、鐵基超導 iron pnictides）裡，似乎有更複雜的「膠水」，可能與自旋漲落（spin fluctuations）等強關聯效應有關。至今仍是凝聚態物理的頭號謎題之一。

此外，超導不是想超就超，還有三條「臨界線」：

• 臨界溫度 Tc（critical temperature）：高於這溫度就不超導。
• 臨界磁場 Bc 或 Bc2（critical field）：磁場太強會把超導打破。
• 臨界電流密度 Jc（critical current density）：電流太大也會毀掉超導態。

多數實用材料是第二類超導體（Type-II），它們在中等磁場下允許磁通以渦旋（vortices）形式穿過，像一支支「磁針」穿進材料。要保持低損耗，就要把這些渦旋「釘住」（flux pinning），否則它們移動會造成能量耗散。

為何一定要「高溫」？因為氦太貴、系統太複雜

現在醫院 MRI、粒子加速器等都用超導，但多依賴低溫金屬如 NbTi、Nb3Sn，在 4–10 K（約負 269 至 263°C）工作，需要液態氦。氦在地球上稀缺、回收不易，供應和價格波動大。若能改用「在液態氮（liquid nitrogen, 77 K）甚至更高溫度」工作的高溫超導，系統成本、維護難度就大幅下降，安全性和可靠性也提升。

冷卻介質	溫度	成本/可得性	工程複雜度
液態氦（He）	4.2 K	昂貴、資源有限	高（補氣、回收系統）
閉循環氦冷頭	4–20 K	昂貴、但減少消耗	高（震動、維護）
液態氮（N2）	77 K	便宜、易取得	中低（成熟、安全）
機械式製冷（無液體）	20–80 K	中（按功率）	中（可靠度漸成熟）

一句講清楚：把超導器件從 4 K 提升到 77 K，整體成本和風險會像從「極地冬季」搬到「冷氣房」。這就是高溫超導的巨大吸引力。

材料版圖：從銅氧化物到氫化物、鎳酸鹽

• 低溫金屬（low-Tc）：如 NbTi、Nb3Sn，成熟可靠，用於 MRI、加速器，工作在 4–10 K。
• 銅氧化物（cuprates）：1986 年起，YBCO（YBa2Cu3O7−δ）等 Tc 高於 90 K，可用液氮。商用形態多為「REBCO」塗層導體（coated conductor），可製成長帶材，適合高磁場。
• 鐵基超導（iron pnictides/chalcogenides）：2008 年後崛起，Tc 可達 55 K 左右，機械韌性比 cuprates 好，但產業化程度仍在追趕。
• 鎳酸鹽（nickelates）：2019 年起發現「無限層（infinite-layer）」鎳酸鹽（如 NdNiO2）在薄膜下具超導（約 10–15 K），2023–2024 年又出現層狀 La3Ni2O7 在高壓下的超導報告（Tc 可到數十 K，壓力數十 GPa）。仍屬前沿研究。
• 高壓氫化物（hydrides）：如 H3S（~203 K@~155 GPa）、LaH10（~250 K@~170 GPa），溫度高到近室溫，但需要極高壓力，現階段難以工程化。個別「室溫常壓」聲稱曾被後續研究質疑或撤稿，社群共識仍是未證實。
• 扭轉雙層石墨烯（twisted bilayer graphene）：在「魔角（magic angle）」下出現非常態超導，拓展了「可設計量子材料」的想像，但規模化應用仍早期。

不同材料對應不同應用。若要在強磁場下運作（例如核融合磁體），REBCO 帶材現階段最具優勢；若追求接近室溫超導，氫化物提供物理線索，但如何把「高 Tc」帶到「常壓、可製造」仍是終極挑戰。

工程現實：為何高溫超導帶材一點都不「像電線」

很多高溫超導材料是陶瓷性質，脆且各向異性（anisotropy）強。要把它們做成可用的「線」，工程師發明了「塗層導體（coated conductor）」架構：

• 金屬基帶（通常鎳基合金）：提供機械強度。
• 緩衝層（buffer layers）：控制晶體取向，避免化學反應。
• 超導層（例如 REBCO）：真正導電的薄層。
• 穩定層（stabilizer，如銅）：在局部失超（quench）時分擔電流，帶走熱。

挑戰在哪？

• 晶界與配向：cuprates 的配對對稱性（d-wave）令晶界角度敏感，Jc 容易掉。需要極佳織構（texturing）才能保持高電流。
• 交流損耗（AC loss）：多股帶材在交流或磁場變動下會有渦電流與磁滯損耗，需要分條（filamentation）、絕緣與特殊繞法。
• 接頭與放大製造：低電阻接頭難、長度與良率要提升、成本要壓低。
• 淬滅偵測（quench detection）：HTS 熱擴散慢，局部熱點可能擴散不及，需要更靈敏的偵測與保護電路。

即便如此，最近十年 REBCO 帶材的臨界電流密度與價格持續改善，已能在 20 T 以上的磁場工作，開啟以前只有 Nb3Sn 才能觸及的領域，甚至更高。

我們為何那麼想要高溫超導？五個實際理由

• 電網升級與節能：超導電纜可以在同樣管道容納更大電流、低損耗傳輸，對像香港這樣密集城市非常吸引，尤其在更新老舊電纜或擴容困難的區域。
• 醫療影像更可靠：MRI 若能用液氮等較易管理的冷卻系統，可減少氦短缺風險、降低維護成本，提升醫療系統韌性。
• 高場磁體與科研：更高磁場代表更強材料表徵能力（例如 NMR、質譜）、更小型的粒子束線，科研與半導體檢測都受惠。
• 核融合（fusion）與能源：高溫超導磁體讓裝置更小、更高場，有助緊湊型托卡馬克（tokamak）與磁約束融合的商用化探索。
• 運輸與工業：超導磁浮（maglev）、高效電機、超導限流器（SFCL）提升電力系統安全，對高負載基建與資料中心供電有實際價值。

密集城市的「低損耗、高容量」

在香港，地底空間珍貴，許多電纜管道已逼近飽和。透過超導電纜把同一截面的容量提高、損耗降低，可以：

• 支援新建或改建區域（例如大型重建、數據中心群集）。
• 減少變電站內熱負荷與噪音，改善社區環境。
• 作為關鍵樞紐的負荷調度工具，在高峰期「疏導」電力。

醫院方面，若 MRI 轉向更高工作溫度的超導技術，可減少對液氦供應鏈的依賴。對海風強勁、鹽霧環境的沿海設施，超導設備配合密閉冷卻迴路也更易做防護。當然，成本與可靠度仍要逐案評估，但技術成熟度已不再是「遙不可及」。

你或許聽過的「熱新聞」：如何判斷真與假？

• 室溫超導（ambient, room-temperature superconductivity）：至今沒有經過廣泛獨立複現的常壓室溫超導結果。高壓氫化物雖在高壓下顯示極高 Tc，但工程距離仍遠。
• LK-99（2023 年）：聲稱常壓常溫超導，後被多方實驗否定，樣品的導電與磁性表現被解釋為雜質或非超導機制。
• 研究可信度要點：要同時看到零電阻與美森效應、樣品純度可控、可重複製作、可被多個團隊獨立驗證，且對壓力與組成的依賴須有一致解釋。

面對媒體標題，記得問三條：是不是常壓？是否獨立複現？樣品是塊材、線材，還是只有薄膜或微米小片？這些都直接影響應用可行性。

應用面深入一點：具體器件與系統整合

• 超導限流器（SFCL, superconducting fault current limiter）：在短路瞬間自動抑制故障電流，保護開關與變壓器，恢復後又回到低損耗狀態，對高密度電網很有吸引力。
• 超導磁能儲存（SMES, superconducting magnetic energy storage）：用電流在超導線圈中儲能，優點是響應快、效率高，適合瞬態調頻與關鍵設備保護。
• 高場磁體：REBCO 線圈已突破 20 T，為緊湊型核融合與高端科研開路。相比 Nb3Sn，HTS 在高場下的 Jc 保持更佳。
• 電機與發電機：HTS 定子/轉子可大幅提高功率密度、減少體積與重量，對海上風電、船舶與特種工業設備都有潛力。
• 通訊與濾波：超導微波濾波器（superconducting microwave filters）在基地台可大幅提升選擇性，降低雜訊與能耗。
• 量子技術：雖然多數量子位元（qubit）仍在毫開爾文（mK）下運作，但更成熟、低雜訊的超導材料與互連，對擴展量子處理器有關鍵作用。

成本不是只看材料價錢：要算「全生命週期」

在工程決策上，應比較「全生命週期成本（LCC, life-cycle cost）」：

• 建置：材料、冷卻、機械、電力電子、土建與佔地。
• 營運：能耗（含冷卻）、維護、停機成本、耗材（氮/氦）。
• 風險：供應鏈可靠度、故障影響（醫院、數據中心更敏感）。
• 性能：容量、效率、功率密度與可擴展性。

高溫超導的優勢往往在城市受限環境中被放大：地價高、走廊稀缺、對噪音與熱排放敏感。這些外部性，加總起來常常比「材料每米價格」更關鍵。

材料科學前線：如何把 Tc 再往上推？

• 機制理解：在 cuprates 與鐵基超導中，電子關聯（correlation）與自旋漲落如何促成配對？若能掌握「膠水」，就能更有方向地設計材料。
• 結構設計：層狀材料、界面工程（interface engineering）、應變（strain）與扭角（twist）操控，有機會改變能帶與配對通道。
• 高通量計算與機器學習（materials informatics）：加速搜尋合適晶體結構與元素組合，縮短從「靈感到樣品」的時間。
• 氫化物啟示：即使高壓難以工程化，它們證明高 Tc 在聲子機制下也能實現，提供了「強耦合聲子超導」的極限標竿。

常見迷思釐清

• 超導=永遠不會發熱？錯。超導在直流、穩定磁場下可零電阻，但在交流或磁場變化時仍會有損耗（磁滯、渦電流）。還有接頭、穩定層與外圍電力電子也會發熱。
• 高溫超導一定比低溫金屬好？看情境。在低磁場、穩態應用，NbTi 系統成熟且便宜；在高場、空間受限或需液氮溫區運作，HTS 才展現優勢。
• 室溫超導一出現就萬事大吉？還有機械強度、臨界電流、磁場耐受、可製造性、成本與可靠度等大堆工程關卡要過。

近年里程碑與趨勢

• REBCO 高場磁體示範：實驗室已以 REBCO 建立超過 40 T 的混合磁體；核融合原型（如緊湊型托卡馬克）展示了高場線圈的可行性。
• 電網示範線：多國已部署數公里級超導電纜與 SFCL，長期運行數據逐步累積，有助評估可靠度與維護成本。
• 鎳酸鹽與層狀材料：新族群不斷冒出，雖然距離工程尚早，但提供了理解高 Tc 機制的新窗口。
• 產業鏈成熟：從前端帶材到冷卻、電力電子與系統整合，供應鏈愈來愈完整，價格曲線下行。

如果明天就要做一個超導專案，最重要的三個指標

• Tc：決定冷卻技術與營運成本。
• Jc（在你實際工作條件下）：溫度、磁場、方向性都要看，實測數據比標稱更重要。
• 穩健度與保護：淬滅偵測、熱設計、接頭與機械封裝，關係到安全與壽命。

結語：高溫超導不是「更冷的玩具」，而是能源與科技系統的「齒輪重排」

追尋高溫超導，並不是只為了在實驗室創造一個更高級的「低溫奇蹟」。真正的意義，是把超導從「少數高端儀器」推進到「城市基礎建設」。當超導能在液氮甚至更高溫區運作，電網、醫療、科研、數據中心、交通與工業將迎來「體積更小、效率更高、風險更低」的新組合，整個系統的齒輪會重新排列，讓能源使用更聰明、更乾淨。

我們為何要找高溫超導體？因為它不是單一器件的升級，而是一個讓電與磁的規則，在日常尺度變得更聽話的關鍵。當這把鑰匙真正轉動，我們的城市與產業，將會被悄悄而徹底地改變。