如何簡易製作及測量

高溫超導體

高溫超導氧化物的發現不僅引起科技界的研究熱潮，而且使從前認為成本昂貴，難做的超導現象，提升到容易製作、容易測量而成本低廉，適合高中生及大學生的教學實驗。

以釔－鋇－銅氧化物YBa₂Cu₃O_7-X超導體為例，利用高溫爐、壓片機、液態氮及普通化學及物理實驗室的設備，可在短時間內做出可用的樣本，並觀察到零電阻、完美抗磁（磁浮）的超導現象。以下分別就製作及測量兩部分介紹。

簡易製作YBa₂Cu₃O_7-X樣本

我們用固態反應法製成樣本，所需起始材料如下：

氧化釔（Y₂O₃，白色粉末，一公克約台幣30元）

碳酸鋇（BaCO₃，白色粉末，一公克約台幣2元）

氧化銅（CuO，黑色粉末，一公克約台幣10元）需用之儀器設備：

研缽（上釉）

陶瓷坩堝（耐1000℃以上，氧化鋁坩堝更好）

高溫爐（1000℃）

壓片機（2噸左右）及壓力砧

製作YBa₂Cu₃O_7-X樣本之程序見圖一。起始材料秤適當重量比例（約三克）在天平秤好，置於研缽中混合，反覆研磨至粉末呈現均勻的灰色，表示樣本已混合均勻，然後將此粉末倒入陶瓷坩堝中，放入高溫爐以900℃∼950℃加熱約十小時。這個步驟是使二氧化碳釋放出來並做初步反應，在熱處理過程中可取出再研磨，以確保均勻混合反應，最後的產物應該燒結起來，看起來非常黑，像煤渣一樣。如果灰灰散散的表示溫度不夠高，如果呈墨綠色，可能比例配錯或磨得不夠均勻。

下一步則用壓片機把粉末壓成直徑約一公分的圓錠，再放在坩堝中，以900°∼950℃的溫度熱處理大約十小時，再關掉爐子開關，讓樣本在爐中慢慢冷卻到室溫，這個步驟非常重要！因高溫超導氧化物的特性之一是氧含量控制超導的發生與否，YBa₂Cu₃O_7-X樣本若x≤0.2則為90K超導體，X＞0.2則超導臨界溫度降低，x＞0.5就變成半導體，900℃的環境使氧含量顯著偏低，不足以形成超導相，需要慢慢降到400℃以下才能使氧含量增高，超導相才會形成。通常，在研究實驗中，通氧氣於高溫爐中熱處理，效果最好，但在空氣中處理，效果也不差。

熱處理完的圓錠，應該就是一片超導體，如此便可進行以下之物理測量。研缽、坩堝可在一般化學儀器行買到，如果不清楚高溫爐、壓片機甚至起始材料，可到鄰近大學物理系、材料系、化學系詢問或借用。

觀察高溫超導氧化物的特性

超導體的兩個基本特徵：零電阻及完美抗磁，對高溫超導氧化物而言，可輕易在液態氮（LN₂）溫度下觀察。液態氮的溫度為77K（即－196℃），為易蒸發的透明液體，一公升約新台幣20元，國內有公司生產，使用時慎防凍傷，尤忌碰到眼睛。

一、零電阻現象

釔－鋇－銅氧化物的超導溫度為90K左右，在90K以上的電阻不為零，在90K以下則降到零。所以如果在室溫直接用高靈敏的三用電表（可到1微歐姆）量，其電阻大概為0.01歐姆，浸到液態氮內則電阻變零，注意如果看不出差異，其可能原因是三用電表不夠靈敏。實際研究實驗的電阻測量，則在樣本兩端加固定電流，在中間量電位差，變動溫度量電阻相應的變化。圖二即為利用以上簡單方法製作的YBa₂Cu₃O_7-X樣本電阻與溫度之關係，此樣本之超導臨界溫度為91K，電阻在86K變零，室溫電阻在0.01歐姆左右。因此在77K可輕易觀察到零電阻。

二、磁浮（抗磁）現象

樣本可用下述簡單的方法測試其超導抗磁現象。所需之材料與用具：

液態氮約500c.c.：可就近向大學單位索取一些，或向出售液態氮的公司購買。液態氮可用熱水瓶或保溫杯盛裝。

具有磁性的小磁鐵片一片或圓形的磁塊至少一塊（若能有四塊更理想），磁片或磁塊的磁力愈強愈好。

塑膠鑷子或竹鑷子，鐵氟龍鑷子更佳：只要耐低溫且熱傳導差的鑷子均可。

耐低溫的燒杯一只。

測試步驟如下

（一）將液態氮慢慢傾倒於燒杯內。千萬不可倒太快，否則燒杯會因溫差突然變大，而爆裂，以致傷害人體，且液態氮會因劇烈的沸騰而噴射出來。若濺到皮膚或眼睛，會造成嚴重的灼傷，從事此實驗請務必小心，頭部及眼睛勿過分接近燒杯及液態氮。

（二）將YBa₂Cu₃O_7-X超導樣本置於裝有液態氮的燒杯內，稍等片刻至樣本已達液態氮的溫度，再將小磁鐵片夾入燒杯內，置於樣本的正上方。此時，我們可觀察到磁鐵片不會墜落在樣本的表面上，而會浮在樣本的上方一段距離，此即超導材料特有的磁浮現象，也就明顯證明樣本具有抗磁力。

（三）若未看到磁浮現象，請再多試幾次看看。因小磁鐵片可能會被樣本的抗磁力推到一旁而落在燒杯底部，以致不容易看到磁浮。若仍然不易試好。可改用下列步驟：

（四）將四塊圓形的磁鐵塊排在一起；

（五）將樣本置於液態氮中，等到其冷卻至液態氮之溫度時（77K），用耐低溫的鑷子迅速取出，置於磁塊組合的中央部分。此時即可觀察到樣本懸浮在半空而不會下墜的磁浮現象（見圖三）。待片刻，樣本的溫度慢慢升高，即樣本慢慢由超導狀態轉變為普通的正常金屬態，此時可看到樣本逐漸下墜到磁塊表面。

（六）當然若燒杯夠大的話，您也可將磁塊組合置於裝有液態氮的燒杯內，觀察它。

（七）若以上的試驗都無法看到磁浮現象，此時就得考慮樣本是否沒有做好？不要氣餒，仔細再重新製做一次樣本。

超導材料的抗磁性質請參閱本期「高溫超導體的基本性質」一文，而其磁浮現象即來自其抗磁性質。其原因是由於磁鐵（磁鐵塊或磁鐵片）產生的磁力線無法穿透過具有完全抗磁性的超導體，因而磁力線發生變形，而產生向上的浮力（見圖四）。

以上所提的方法是超導體抗磁性質簡易的定性測量方法。對於精確且定量的測量，必須測量其麥斯納效應，也就是在固定的外加磁場內，測量其磁化強度對溫度的變化情形。圖五即照上述方法製造出來的樣本之磁性測量結果。

徐紹維、戴明鳳就讀於清華大學物理研究所博士班

超導體──相關文獻

編輯部

本刊曾刊登過有關「超導體」的文章如下：

1.翁武忠 超導電性及其應用 二卷十期 p.42

2.何峻、呂莉莉譯 新的超導體 三卷七期 p.9

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