冶金史家揭開「美麗」的背後

　1987年初，一種「釔鋇銅氧」化合物首次顯現了在液態氮沸點以上的超導相變。它的發現歸功於當時旅居美國的華人物理學家朱經武和吳茂昆(兩人均為中央研究院院士，現在分任香港科技大學校長和中研院物理所所長)。消息瞬間傳至全球，展開國際間的競爭。幾種新的但類似的「高溫超導」材料接連出現。不可諱言，這種競爭的動力，多半在於技術上的潛力。由於液態氮來自空氣的液化，操作容易，價格低。

　　超導轉變溫度在1987年的大幅提升，似乎也有另一種相變的架式。事實上在超導轉變溫度以上「正常」金屬態的許多物理現象也與大部分的金屬不同。許多傳統的觀念受到了嚴厲的挑戰。

　　除了超導轉變溫度的大幅提升外，高溫超導體材料還有很多獨特的性質，例如銅與氧形成的二維層狀結構似乎是必要的，這些材料通常都不是很好的晶體，這與傳統的超導體非常的不同，它們一般要有很好的結晶體才能有較高的超導轉變溫度，這點也是1957年超導理論的結果之一。而更奇怪的是這個材料有很強的磁性，反鐵磁作用力似乎相當重要。它在室溫的導電性能卻比很多金屬，如：金、銀、銅等也都要差一些。事實上，改變某一些元素如氧的數量，這個材料可由金屬轉變成絕緣體，而這個絕緣體與我們所熟悉的絕緣體並不一樣，它無法導電的原因是由於電子之間的強作用力造成電子侷限於一定的空間區域，無法在電壓之下流動。

發展新的超導機制

　從以上的幾個例子已經可以看出，這個高溫超導體材料與我們以前已有相當深入研究的傳統超導材料有非常不一樣物理性質，幾乎所有的實驗也都確認此超導態的對稱性也是獨特的，這種種的結果都強烈的暗示著1957年所發表的「傳統超導」的機制已不適用，我們不但需要一個新的超導機制的理論，並且也要新的理論來瞭解這一個新的材料在超導相變未發生之前的物理性質。

　　為了瞭解這個奇特的新材料，實驗技巧也發展出不少新的突破，特別值得一提的是角分析光電子能譜ARPES及電子掃描顯微鏡。電子掃描顯微鏡技術在1982年初開始，立即在探討奈米結構及材料表面的電子結構有重大的貢獻，二位科學家(Binnig和Rohrer) 也因此與另一位首先設計電子顯微鏡的Ruska一起拿到諾貝爾物理獎。它的解析率不斷被增進，尤其在超低溫系統下使用，可看到超導體表面電子的分佈。如圖三所示在64奈米尺寸的範圍中，交叉線形及明暗的圖形代表了電子密度的分佈此波狀般的圖形，與水面上有互相干擾的水波圖形很相似，分析這些圖形可直接證實超導態的對稱性及電子結構。

　　 角分析光電子能譜的原理就是光電效應，愛因斯坦解釋此現象而得諾貝爾獎。用光照射材料的表面可將電子撞出，分析射出電子的速度與角度可反推出在材料內電子的能量與動量的關係，因而可直接觀測到材料內電子的結構，此種實驗特別適合像高溫超導體這類的層狀材料，再加上最近幾年測量角度與速度解析度的大幅提高，使得許多微小但重要的電子結構細節皆能呈現大大的幫助了我們瞭解高溫超導體。

　　既然大多數實驗證據都顯示出這個高溫超導體的材料需要新的理論，有許多的理論已被提出，雖然現在還無一為眾所接受的理論，但是幾乎可確定的是傳統超導理論中的聲子與電子作用產生超導的機制已不再適用，材料的反鐵磁性與超導機制必然有非常密切的關係。此導致磁性與超導的關係變成研究超導的一個重要關鍵，新的超導體如鍶釕氧化物、鈉鈷氧化物等皆一一被陸續發現。

　　正如圖一所顯示的高溫超導體的發現似乎類似相變，正對人類未來的生活及基本科學發展造成持久及深遠的影響。