「高溫超導體」研究獲登學術期刊 國科會：台美科研合作主導性與能量具指標意義




呂俊儀｜Yahoo財經特派記者
2023年8月16日 週三 下午2:37


LK-99在常溫下到底能不能有超導現象引起爭論，但先前資本市場已經開始當作投資題材。不過，在導體科學研究上，陽明交通大學特聘教授仲崇厚團隊在國科會長期支持下，與美國布魯克海文國家實驗室(BNL) 團隊合作，首度成功解開稀土族超導體中「奇異金屬量子臨界糾纏態」形成機制，並於今年2月刊登上國際知名學術期刊《自然通訊(Nature Communications)》。

台灣團隊主導台美科研合作獲登自然通訊期刊，首度以理論及實驗揭開「奇異金屬」謎團神秘面紗，有助解開高溫超導體形成機制。圖左起台大物理系教授高英哲、國科會自然處處長羅夢凡、陽明交大電子物理系特聘教授仲崇厚、陽明交大電子物理系博士張永業。（圖／國科會提供）
國科會指出，此成果有助於解開困擾凝態物理界35年的高溫超導體形成機制謎團，對基礎科學和應用技術都具有深遠意義。此次台美科研合作，展現台灣基礎研究團隊在國際合作中主導性與能量，具有指標性意義。
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普通金屬在極低溫情況下(超導性未出現前)，隨溫度下降，其電阻率會隨著溫度的平方下降，就是所謂的「費米液體」。
然近30多年來，眾多新穎量子材料如：銅基高溫超導體、稀土族重費米子超導體，有機超導體、二維雙層扭轉石墨稀超導體等出現不同於普通金屬的「奇異金屬量子態」（即所謂「非費米液體」），也就是隨溫度降低其電阻率呈現線性下降，比熱係數則以對數方式上升。
最近稀土族超導體與銅基高溫超導體更展現出更奇特的奇異金屬稱為「普朗克金屬」量子臨界狀態，此量子態在不穩定的「量子臨界點」附近出現，其中電子散射率與溫度呈現線性關係，且比例常數與普朗克常數呈現倒數關係。相關現象包括奇異金屬態形成原因與機制等至今仍是未解之謎，為當前凝聚態物理領域的一大難題。
在微觀原子尺度下，量子力學會導致特殊物質或材料在低溫下因不同量子基態間相互競爭呈現新的物質狀態，稱為「量子臨界態」，是電子間高度量子糾纏的新物質狀態。
新穎超導體中的奇異金屬態涉及大量電子和原子狀態的量子糾纏，是高度複雜的多體「量子糾纏」狀態。而「奇異金屬量子態」可視為低溫下由於量子臨界擾動現象產生的新型物質狀態「量子臨界態」。顯示除了一般大眾所熟知的金屬、絕緣體、超導體和半導體外，自然界還存在著這種新而普遍的物質狀態，是凝態物理界具基礎和應用價值的新發現。
這次研究首次以理論與實驗合作方式揭示了「普朗克金屬」奧秘。實驗結果證實了稀土族超導體中「普朗克金屬態」的確是處於量子臨界點附近之量子臨界行為。同時更進一步提出了建立於量子臨界電荷擾動基礎上微觀理論機制，首次成功解釋了此一奇異金屬現象及其形成機制與量子臨界現象之間的關係，乃為電子之間於量子臨界點附近高度「量子糾纏」的結果。
此一成果有助於解開銅基高溫超導體中同樣源自量子臨界電荷擾動之普朗克奇異金屬態形成機制。而高溫超導體超導態即由普朗克金屬態降溫時形成，因此，論文研究成果有助於解開困擾凝態物理界達35年的謎團「高溫超導體形成機制」。
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另一方面，國科會認為，完整地描述奇異金屬現象在科技應用上也非常重要。若能了解奇異金屬態，有助於設計預測並提升高溫超導體的超導臨界溫度，這在科技應用上具有潛力。高溫超導體在無能量損耗的電力傳輸、量子電腦及量子計算等領域具有關鍵應用，對科技發展、改善生活和環保節能都有重大價值。
此次台美合作研究由仲崇厚於2018年時醞釀發想，並主導整個研究計畫執行。自2019年秋季起，美國實驗團隊BNL的Cedomir Petrovic博士加入合作，提供實驗數據結果，台灣團隊則由仲崇厚與張永業博士分析實驗數據，並建構微觀理論機制模型。歷經3年半合作，研究發現理論機制能成功地解釋實驗現象，最終獲登於《自然通訊》期刊。
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