假如室溫超導體是真的？

Nature News在2023年8月16發表的新聞以〈LK-99 isn’t a superconductor — how science sleuths solved the mystery〉為題，引用許多驗證實驗的文獻，對於前一陣子在國際學術界、產業界引起的室溫超導體騷動，算是暫時劃下休止符。

超導體在其臨界溫度（critical temperature）下要同時具有2個物理特性：

1. 零電阻，所以電子在流經超導體時不會發熱。

2. Meissner effect，當有外加磁場時，磁場無法延伸入超導體內。我們經常看到的科普片中一個超導體懸浮於磁鐵之上，即為此一效應的視覺展示。

超導體現象的發生以前，是需要極嚴苛的周遭條件，譬如極低溫或極高壓。也有理論來描述這現象：BCS理論（Bardeen-Cooper-Schrieffer theory）來描述，這是1972年物理諾爾獎得獎作品。

需要極端低溫的環境下，才發生超導現象嚴重的限制超導體的應用—因此從1911年發現超導體現象迄今，物理學家致力於發現臨界溫度較高的超導體的材料。這百年最標幟性的突破是Georg Bednorz與K. Alex Muller於1986年發現的陶磁超導材料（1987年諾貝爾獎得獎作品）及隨後朱經武的釔鋇銅金屬氧化物（Yttrium Barium Copper Oxide）。

之後雖然有新材料持續提升臨界溫度，但是關於其物理機制存有分岐，沒有令人一致信服的理論。這其實很大程度的減緩臨界溫度的提升—沒有理論基礎的實驗嘗試，有時看來像是煉金術。

Nature News的文章用那些檢驗實驗的結果，簡單解釋為何LK-99非超導體：南韓團隊所看到的部分懸浮（partial lifting）現像是鐵磁（ferromagnetism）機制；材料本身其實是絕緣體。看到的電阻在特定溫度下驟降，乃因樣品中摻有硫化銅的雜質，在那特定溫度時硫化銅產生相變，造成電阻驟降。

沒有雜質的樣品，是看不到電阻驟降的現象，這就暫時結論學界目前的擾動：LK-99不是室溫超導體。

但是如果真有室溫超導體，最該立即投入研發的應該是半導體產業。半導體發展迄今，各方向發展的瓶頸幾乎都集中於散熱問題。

半導體發熱的來源，簡單歸結有2個。

首先，是電晶體於0與1狀態切換所需的能量，每次運作大概花1 fJ（femto Joule，10的負15次方）。看起來數量級很小，但是考慮到現在1片晶片上電晶體的閘極數（gate count），動輒以tera（10的12次方）為單位；而電晶體的運作速度可以達到ns（10的負9次方）等級，也就是每秒最高可以有10兆次運作，發熱量便相當可觀。

但是，更大的發熱源是焦耳熱（Joule heat），也就是當電子通過金屬時因為電子碰撞晶格產生的熱耗散。這個熱耗散存在於晶片與晶片之間的金屬連線，譬如資料在CPU、DRAM、NAND Flash之間的穿梭來回—這其實是一個電子系統中最大的熱耗散來源，也存在於單一晶片之中。

現代的IC晶片中有許多的信號線和電源線。現在的新工藝之一：晶背電源分配網路（BS-PDN；Back-Side Power Distribution Network），將供應電晶體運作電源的線路從原先的金屬線上層，移到晶圓背面，使之比較接近坐落於晶圓底面的電晶體。單只是這樣的縮短電源線的長度，就能大幅降低晶片的功耗和熱耗散。

假如室溫超導體存在，最該立即投入研發的應該是半導體產業。單只是以室溫超導體材料替代目前單一晶片中的金屬連線，以及在先進封裝中用以連絡晶片之間的連線，如此造成的導體價值增進就遠超過目前所知超導體的其他的應用價值。

當半導體產業製程微縮的路走得日益艱難，先進封裝以及新材料必須分擔半導體創造新價值成長的責任，而室溫超導體顯然是新材料領域中，可一舉解決目前半導體各方案中最大的共同瓶頸—熱耗散問題。

雖然此次的挫敗顯示室溫超導體的路途還長，但是室溫超導體的利益巨大，作為已走到世界最前沿的幾個半導體龍頭企業，前瞻研究中室溫超導體可以開始考慮涵蓋此一議題了。