聊聊科學人

超導大師朱經武

21年前朱經武和吳茂昆找到超導溫度高於液態氮沸點的超導體,使超導體得以進入實用境界;7年前,朱經武出任香港科技大學校長後,使港科大脫胎換骨;明年,朱經武將返回研究崗位,繼續追尋室溫超導之夢……

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超導大師朱經武

21年前朱經武和吳茂昆找到超導溫度高於液態氮沸點的超導體,使超導體得以進入實用境界;7年前,朱經武出任香港科技大學校長後,使港科大脫胎換骨;明年,朱經武將返回研究崗位,繼續追尋室溫超導之夢……


從應用觀點來看,目前全世界最好的超導材料,仍是兩位中央研究院院士朱經武和吳茂昆在21年前發現的釔鋇銅氧金屬氧化物;但是1987年的諾貝爾物理獎卻頒給另兩位超導專家穆勒(K. Alexander Muller)和柏諾茲(J. Georg Bednorz),成為華人科學界的一大憾事。

當時正值46歲壯年的朱經武並沒有因此灰心,20多年來他仍沉浸於高溫超導領域,並在7年前出任香港科技大學校長,帶領港科大成為華人世界最好的大學之一,再次造成轟動。明年卸任後,朱經武將返回美國休士頓大學,繼續研究高溫超導,因為他相信室溫超導絕對是有可能達到的目標。

朱經武是中研院物理所所長吳茂昆的博士指導教授,在發現釔鋇銅氧化物前一年的一次會議中,他告訴當時已在美國阿拉巴馬州立大學任教的吳茂昆說:「我們合作的話,可以打敗全世界!」後來證實所言不虛。


追尋高溫超導慢一步


當溫度降至接近絕對溫度0度(0 K,相當於-273℃)時,有些材料會產生零電阻、抗磁性的特性,稱為超導體。但因產生超導性的溫度(超導溫度)太低,實用性不足,因此科學家一直希望追尋超導溫度高於77K(-196℃,即液態氮沸點)的高溫超導體,這樣就可以用便宜的液態氮來塑造超導環境。

高溫超導的發現要從法國科學家勞沃(Bernard Raveau)說起。勞沃研究的是催化劑及氣體探測器的材料,他在1983年發現一種含有鑭、銅、氧等元素的金屬氧化物,吸附特殊氣體後電阻會改變,可以用來做氣體偵測器;勞沃並沒有在尋找超導體,雖然他曾用液態氮把該氧化物的溫度降到77K,但並沒有發生超導現象。

1985年,朱經武的一名在汽車輪胎公司工作的學生也在研發氣體偵測器時,做出同樣化合物,由於他受過超導體的相關訓練,很自然地想將溫度降到極低溫,看看有沒有可能變成超導體;但是他的主管卻認為「低溫下變超導體對開發氣體偵測器沒有幫助」,要他停止研究。

在當年,呈現超導性的各類氧化物中,最被看好的是具有鈣鈦礦結構(perovskite structure)的材料(見120頁〈超導原理及應用〉),不論是朱經武或是穆勒,都在研究這種材料。穆勒開始是用鎳的氧化物來製作,但做出來的鎳氧化物不具有超導性,後來他的博士後研究員柏諾茲在文獻上發現勞沃做出來的金屬氧化物結構和鎳氧化物相似,具有鈣鈦礦結構,有機會產生超導現象,就依樣畫葫蘆做了一個,然後把溫度降下去。和勞沃不同的是,柏諾茲把溫度降到更低溫,結果,在30K左右真的變成超導體了!

穆勒和柏諾茲在1986年9月發表這項成果,但朱經武表示,當時超導界其實沒多少人相信,原因有幾個:第一、穆勒和柏諾茲在超導這一行並不有名;第二、金屬氧化物大都是絕緣體,和金屬不一樣,一般認為不可能產生超導現象;第三、按照當時的超導理論,物質只要溫度高於30K,晶格就會太軟,不太可能產生超導現象。

不過,朱經武卻相信這項成果的真實性,道理很簡單:他自己也在研究金屬氧化物,而且他用高壓製作的方法,證明晶格即使稍微不穩定,對超導溫度的影響也很小。最讓朱經武扼腕的是,他一直在嘗試用各種金屬氧化物來製作高溫超導體,就差還沒有做到銅,卻被穆勒和柏諾茲搶先一步。

當時穆勒和柏諾茲做出來的其實是多種材料的混合物,並不很清楚到底是其中的哪一種材料具有超導性,到了1986年底,日本科學家田中昭二和北澤宏一決定出其中具有超導性質的是按照鑭二、銅一、氧四和少許鋇的比例構成的金屬氧化物結構(科學家稱之為二一四)


大幅提升超導溫度


於是朱經武比照穆勒和柏諾茲的方式,做出二一四,測量其超導溫度,但是下一步該怎麼走呢?他決定同時往兩個方向前進,第一是製作出純的二一四,研究其物理性質,第二是他在測量不純的二一四的超導溫度時,在80~90K左右,曾經多次看到樣品電阻降下來的異常訊號,只是不久就消失了,因此無法確定電阻是否降到0,也無法測定是否具有抗磁性,但他認為那很可能是某種化合物產生超導現象,因此要進一步研究。

朱經武首先從製作純的二一四單晶樣品著手,他有三個單價3000美元的白金坩堝,用了其中兩個來燒製。因當時正好要去華盛頓,於是向助理交代清楚該怎麼做,預計一星期後回來時,純的二一四也剛好製作出來以供測量;沒想到回到實驗室,一打開爐門,竟然只看到兩堆灰。

朱經武雖然錯愕,卻沒有沮喪,雖然當時全世界的超導學者都專注於製作二一四純品來研究其物理性質,他仍決定立刻轉變焦點,研究80~90K左右的異常溫度變化是否屬於超導現象。他首先加強磁場,測量樣品是否具有抗磁性,之所以測量抗磁性而不測量電阻的原因是樣品為混合物,可能和絕緣體混在一起,即使裡面有一小部份具超導性,其零電阻特性也量不出來,但抗磁性並不會受到混合物影響。

這種實驗相當不好做,因為樣品是許多金屬化合物的混合物,有些金屬化合物性質極不穩定,例如氧化鋇,只要稍微接觸到空氣中的二氧化碳或水,就會變成碳酸鋇,在樣品中只佔極小比例的超導物質就被破壞掉,整個樣品就毀了。

朱經武在1986年底和吳茂昆討論有關80~90K異常訊號這件事,兩人都同意這是條可行之路,於是各自回到自己的實驗室奮鬥。除了繼續研究很不穩定的鑭鋇銅氧化物之外,他們也嘗試用其他元素置換樣品中的鑭和鋇,吳茂昆用和鋇同一族但原子序較小的鍶取代鋇,得到40K的超導體,接著再換成更小的鈣,超導溫度反而降低。不過這個40K的成果,已讓《紐約時報》決定專訪朱經武,並告知將在1987年的元旦刊出,他太太還不覺得這是多了不起的新聞,所以那天從報紙的最後一頁找起,結果一直找到最後──也就是頭版,才找到那則報導。

1987年1月12日,朱經武終於在90K左右的鑭鋇銅氧化物中看到抗磁性;雖然第二天樣品就壞掉(可能是因為接觸到水或二氧化碳),但這更堅定了朱經武的信心,他當天就提出數週前已預備好的專利申請,而且包括很多他認為有機會做出90K高溫超導體而還沒有實際動手實驗過的材料。

接著朱經武打算用釔取代鑭,但在他還沒有動手做這項實驗之前,吳茂昆先一步在1月28日打電話來,告訴他已做出釔鋇銅氧化物,並且得到90K的超導體。朱經武的第一個反應是問樣品是否穩定,當吳茂昆回答「穩定」時,他說簡直比自己看到鑭鋇銅氧化物的90K超導性更興奮。他本來已經在寫鑭鋇銅氧化物的論文,一聽到這個消息,就把論文丟到垃圾桶,改寫釔鋇銅氧化物的論文,因為「既然有這麼好的東西,何必去寫不穩定的?」不過現在回想起來,他認為當初還是應該把鑭鋇銅氧化物的論文寫完,因為後來才知道鑭鋇銅氧化物做得好的話,也很穩定。

在找出鑭鋇銅氧化物和釔鋇銅氧化物之後,朱經武很快就接連發現一系列的高溫超導體,當時哈佛大學請他去演講,上飛機之前,他請同事放了一個樣品進爐子燒製,兩個小時之後到達波士頓,助理打電話來報告說,又做出另一個超導溫度90K的新化合物。由於新化合物一個接著一個出爐,第二天他在演講前一刻,都還在一筆一筆地將這些新成果加到幻燈片上面。

事後回想,朱經武相信,在大家都在研究二一四的時候,應該也有其他超導學者看到90K時電阻瞬間下降的異常現象,只是其他人可能以為那是雜訊或其他因素所造成,而沒有和超導聯想在一起;其實他當時也並不確定電阻降下來就一定是超導現象,但他堅持應該要去研究為什麼會發生這種現象,而不等閒以雜訊視之,這是其他超導學者沒能做到的。

對於和諾貝爾獎擦身而過,朱經武倒是很釋懷,他表示,從物理上看,90K的超導體毫無疑問地證明了當年理論上的不足,為固態物理提出了一個新的研究方向;從應用面來看,他和吳茂昆做出的超導體一舉將超導溫度從30K提升到90K,突破了77K的液態氮沸點,使超導體得以實用化,當然功勞很大;但是穆勒和柏諾茲畢竟是第一個在銅的金屬氧化物中量到30K的超導溫度,打破了傳統理論的限制,從這個觀點來看,諾貝爾獎只頒給他們,也不算不公平。他強調「做事情靠自己,給不給獎看別人。」他跟吳茂昆能在科學盛宴中扮演一個小角色,已經很有滿足感了。


拚老命經營香港科大


朱經武已經決定明年返回休士頓大學繼續研究超導體,因為他希望能做出室溫超導體,將超導的應用範圍再擴大,而目前已有一些想法,必須回實驗室進行。

其實在七年港科大校長任內,學校從不限制朱經武返回休士頓大學做研究或到各地參加研討會,因為學校認為不論他在何處做出的研究成果,都能提高港科大的名聲,而且「他人在哪裡,哪裡就是他的辦公室。」所以雖然他一開始就要求只拿3/4的薪水,可保留1/4時間回休士頓做研究,學校卻堅持給他全薪,因為「哪有人當校長是兼職的?」

除此之外,港科大三顧茅廬的精神也令他感動。港科大的校董在2000年的中研院院士會議前打電話邀請朱經武擔任校長,當時朱經武完全沒興趣,可是港科大的校董不但直接飛來台灣和他談,又追到美國去拜訪他和他太太;他還是不太有意願,港科大就安排他去香港參訪,並跟香港特首董建華以及多位高層官員見面,讓他深刻感受到這些人「希望幫助香港發展」的熱忱,覺得很感動。

最後讓他決定答應的有三個原因,第一是港科大成立於1991年,是一所年輕的學校,包袱最小,而且又已經打下很好基礎。第二個原因是董建華告訴他,香港正在經濟轉型,目標是由港科大當龍頭,帶動香港進入高科技領域,希望請他做點事情,這讓他覺得「一生中有機會做點事也是很好的。」

第三個原因則是他個人因素,朱經武在中國大陸出生,小學三年級隨家人來台,成功大學畢業後到美國留學、工作,他發覺這三個地方的人,彼此不夠了解,而香港是一個政治中性的地方,若他擔任港科大校長後,能促進台、中、美三方面的人互相了解,是很有意義的事情。

朱經武一上任就立下宏大目標,希望將港科大塑造成香港的麻省理工學院。他花了許多功夫讓香港民眾知道並認同科技教育對香港前途發展的重要性,以及港科大能在其中扮演的角色,設法爭取大眾對學校的支持及資助;他也用心聘請優秀的教授及管理團隊,並集中資源發展港科大的強項。

朱經武非常重視基礎科研,認為那是社會的基礎,「在一個社會裡,科學是骨架,人文是衣服和肌肉」;可是過去香港商業發達,學生也多以此為目標,對此朱經武只能不斷宣導「高瞻遠矚」,他認為要維持香港的繁榮,必須增加產品的附加價值,一定要走科技之路,鼓勵學生不要只看到眼前,而要勇於追求夢想。

他也強調吸引國際學生的重要性,因為全球化以後,競爭也全球化,從不同地方來的學生處理學問、文化、思想都不一樣,不同學生互相交流、彼此了解,對學生將來的發展會很有幫助。目前港科大約有10%的非本地學生,其中8%來自中國大陸,2%來自其他地方,包括東南亞、歐洲、美國,也有台灣學生,除此之外還有很多交換學生,平均有500~600人在校園,相當國際化。

不僅學生來自各地,港科大的教授也很國際化,有1/4來自近30個國家地區。朱經武重金禮聘這些國際教授只有一個條件,就是研究內容一定要在香港生根,即使這些教授離開了,港科大也能獨立自主進行相關研究。

他創立的「高等研究院」更是希望吸引全世界菁英到港科大創造新知識。高等研究院的國際委員會背景驚人,在16位委員中,就有包括楊振寧、丁肇中、李遠哲、朱棣文在內的12位諾貝爾獎得主及1位費爾茲獎(數學界的諾貝爾獎)得主。高研院雖是模仿美國普林斯頓大學高等研究院而成立,但性質卻有所不同,朱經武說,普林斯頓都是研究基礎理論,跟學校、社會直接相關的很少,而港科大高研院除理論外,還有實驗和應用,和學校、社會有相當程度的結合,但也有足夠自由,讓這些學者可以海闊天空地思考。

除理工科外,港科大的商學院也已經是世界一流。朱經武說,香港有健全的法律制度及經濟規模,商業活動本就豐富,而科研成果要商品化時,經營管理也非常重要,所以港科大當然必須建立一所好的商學院,和理、工學院結合在一起;另外港科大的商學院和一些國際知名的大學保持密切合作,也很有幫助。

港科大校長一任5年,校方一開始就邀請他擔任15年校長,但他只答應做3年,3年期滿後,在董事會強力挽留下,延到5年;可是就在第5年,香港展開高等教育改革,這是大學發展的關鍵時刻,朱經武只好再度留下。他說香港政府、港科大董事會都全力支持、配合他的工作,立法會議員也很尊重他,他當然只好拚了老命地幫學校做事。現在學校一切已上軌道,所以他決定明年一定要離開,他認為在一個地方待久了難免有所局限,新人治校也許有新想法,會對學校的發展有幫助。

朱經武非常喜歡一句話:"Life without dream is dull."(沒有夢想的生命是晦暗的。)他最大的夢想就是找到室溫超導體,雖然他明年就68歲了,但仍努力朝著夢想前進。而且他不但要研究超導體,還準備和全世界最好的材料科學家及物理學家共同討論將來材料科學的發展方向,以及如何克服現有問題。

發展價格便宜、機動性高的磁振造影儀(MRI)是朱經武的另一個目標。MRI內部最貴的就是超導磁鐵,他希望能將現在一部150萬美元的價格降到20萬美元,讓一些貧窮地區的人民也能享有較好的醫療照護。對他來說,自己的研究成果能對社會有所貢獻,幫助有需要的人,是最高興的事。


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