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開創物理新紀元的超導體大師——吳茂昆

1949年,吳茂昆出生於臺灣東部面向太平洋的花蓮縣玉里鎮。在十一個兄弟姊妹中排行老么的吳茂昆就在風光明媚、有美麗的海岸與險峻的高山環繞,自由開放、沒有圍牆的環境下渡過幼年時期。悠然的自然環境也培養出吳茂昆獨立思考、不受拘束,又自我要求極高的為學態度。

圖 1. 花蓮
圖片來源:Pixabay

在老師的印象中,吳茂昆從小就是一個會玩且不讀死書的淘氣孩童。在小學高年級自然老師曾霖炳的教導下,啟發了吳茂昆對自然科學的興趣,他時常發問,問題廣泛,對世界充滿好奇。

就讀花蓮中學時,中午休息時,吳茂昆也常常跑到學校邊的太平洋岸。長期與大自然相處,慢慢地也就熟悉自然界的運作。這對日後吳茂昆學物理時,理解物理規則非常有幫助,而非單單只是死背定律。

圖 2. 花蓮
圖片來源:Pixabay

大學時期初探物理世界

從自由的花蓮中學進入淡江大學後,吳茂昆遇到許多從海外回國的教授,這些老師帶領他初探物理學領域,使他更確立要往科學研究發展的契機。例如大二的相對論課,是由剛回國的陳惟堯教授所開設,教授的課堂生動又活潑,深深吸引著吳茂昆。吳茂昆認為相對論裡有許多新的概念,都是以前沒有接觸過的,一個學期下來,也就喜歡上研究物理學。

圖 3. 淡江大學校景。
圖片來源:維基百科授權圖片 by Foxy1219

大四時,學校有一門課是讓同學自選主題研究。當時吳茂昆有個同學選了超導體為主題,有次和他聊天後,吳茂昆發現這門學問非常有趣。之後為了更多加探索物理學的領域,吳茂昆便以超導物理為主題,攻讀淡江大學物理所的碩士學位,沒想到一讀就是一輩子。

超導體(Superconductivity)是指材料在低於臨界溫度時,電阻變為零的一種物理現象。因具有高磁性可將馬達大幅小型化,加上其應用領域廣泛,是前景看好的新科技材料,例如應用於輸電網線上可長距離無損耗傳輸電力。不過,最大的難關是突破超導性的溫度障礙。從1911年超導體被發現以來,超導材料一直無法被廣泛使用,主要是由於超導體的形成需要非常低溫的環境。必須將溫度降低至絕對零度──攝氏零下273度附近,並使用價格昂貴的液態氦(Liquid Helium)做為冷卻劑,才能形成超導體,造成使用成本極高。所以提高超導材料的溫度,一直是許多科學工作者努力的方向。

為了實現此一計畫目標,1977年,立志當科學家的吳茂昆在兄長的共同資助下前往美國休士頓大學(University of Houston)專研固態物理、攻讀物理學博士。然而抵達美國的第二天,吳茂昆就向系主任爭取了每個月美金四百塊的獎學金,然後把兄長送的錢統統寄回來,自此以後沒有再花過家裡的錢,顯示吳茂昆的獨立與魄力。

圖 4. 休士頓大學校園一景。
圖片來源:維基百科授權圖片 by Brian Reading

赴美深造 不眠不休專研超導體

進入休士頓大學,吳茂昆認識了和他一樣對固態物理有興趣的指導教授朱經武,兩人共同在實驗室鑽研多年,有著亦師亦友的革命情感。1984年吳茂昆完成學業,轉往阿拉巴馬大學(University of Alabama)任教後,仍日復一日地努力從事此高溫超導體的研究,兩人各自領導的實驗小組也保持聯繫、往同樣的方向研究。教學研究之餘,吳茂昆經常前往距離阿拉巴馬大學10分鐘路程的美國太空總署(NASA)協助實驗工作。在NASA期間,他曾一度與日藉太空人毛利衛共同合作進行過實驗,也從事無重力空間的新物質形成之研究,但均未獲得突破性成果。

圖 5. 美國國家航空暨太空總署。
圖片來源:維基百科

而要解決超導現象的臨界溫度之低溫問題,最好的方式是將超導現象的溫度提高至攝氏零下196度左右,如能實現的話,便能採用較便宜的液態氮進行冷卻,可大大提升超導體的應用價值。反覆思量、實驗後,吳茂昆決定著眼於如何穩定的組合元素之做法,以此想法試著將釔-鋇-銅-氧系等材料放在高溫爐中煅燒合成。

為了達到實驗目標,吳茂昆平均每天花十五個小時在實驗上,甚至時常睡在實驗室裡。在科學研究上他執著不悔。經過七、八年的埋頭苦研,終於在1987年,發現世界上第一個高於液態氮溫度的釔鋇銅氧超導體,和朱經武聯手創出了物理科學的新紀元。

圖 6. 研究室裡的吳茂昆。
圖片來源:研之有物
圖 7. 吳茂昆與朱經武團隊於 1987 年發現的「釔鋇銅氧的氧化物」,超導形成溫度高於氮的沸點,從此以後,科學家研究超導現象就可使用量多且便宜的液態氮來冷卻。
圖片來源:研之有物

新研究大幅降低超導體製作成本 開創物理新紀元

以往七十多年這方面的研究進展相當緩慢,最多也只能將溫度達到絕對溫度23度左右。吳茂昆與朱經武的重大發現全面促進了高溫超導體的研究。可應用液態氮進行冷卻的釔(yttrium)系高溫超導體,降低了超導體的成本,而應用價值因此大幅提高。

科學界對高溫超導的研究重新振奮起來,也使得超導體導向的新世界更加鮮明可待。目前的核磁共振顯影裝置、輸電網、磁浮電車和馬達等高科技,都是高溫超導研發的應用。

圖 8. 超導體的完全反磁現象。圖中是一高溫超導體懸浮在磁鐵之下。
圖片來源:研之有物

研究成果發表之後,吳茂昆不但使超導體研究重新熱門起來,而且令他所居住的阿拉巴馬州,從素以農業聞名而躍然在科學領域中也占有一席之地。當地報紙稱譽吳茂昆的成就是州裡「幾十年來從未有過的大事」,州長也表示要提撥經費,供他購置研究儀器。一夕之間,吳茂昆成為家喻戶曉的人物,更因此獲諾貝爾物理獎提名。此外,他更在做出超導新材料的半年後升為正教授,創下了三年之內由助理教授跳過副教授而直升正教授的紀錄。一般而言,這樣的升等過程可是要花上八年到十年的時間。

這個突破性的實驗成果,不僅對吳茂昆個人和科學界造成新的轉變,更重要的是對科學教育的影響,大家對基本物理有更深的瞭解和興趣,每個人都能談論超導體。更有人預期,二十一世紀人們將活在「超導體應用的世紀」中。

 

應邀回臺灣 致力改善臺灣研究環境

1992年,吳茂昆應邀回到臺灣,任教於清華大學物理學系,持續從事超導體的研究。1998年當選中研院第22屆院士,不久,擔任行政院國家科學委員會副主任委員、中央研究院物理研究所所長以及奈米國家型科技計畫總主持人。期間,致力於改善國內研究環境。

圖 9. 吳茂昆。
圖片來源:中華民國教育部

2004年吳茂昆升格成為國家科學會委員會的主任委員,即使接掌了科技行政主管工作,吳茂昆也仍堅持研究不輟,從未脫離超導研究的行列。於此同時,吳茂昆獲選為美國國家科學院(United States National Academy of Sciences)外籍院士,是以臺灣籍學者身分獲選為美國國家科學院外籍院士的第一人。

回到中央研究院再度接任物理學研究所所長後,吳茂昆又在2008年創下輝煌的研究──發現了全球第一個結構簡單、容易合成的二元「鐵硒化合物(FeSe)」。如能應用廉價、容易製造之鐵基化合物研製超導體的話,超導的應用層面將更加寬廣。

圖 10. 中央研究院物理研究所。
圖片來源:維基百科授權圖片 by SSR2000

吳茂昆除投身於超導體的研究工作之外,還兼任奈米國家型科技計畫總主持人,為了將奈米科技材料推廣應用於太陽能光電和風力發電之上而四處奔走、不辭勞苦。而吳茂昆的種種努力,也促使大眾對基本物理產生興趣,大大刺激了臺灣的科學教育。

 

 

參考資料

1. 楊孟瑜,〈九十度的震撼-吳茂昆超導物理世界〉,《遠見》,https://www.gvm.com.tw/article/927。

2. 侯姿瑩,〈吳茂昆接掌教育部 曾獲提名諾貝爾物理獎〉,《中央社》,https://www.cna.com.tw/news/firstnews/201804165003.aspx。

3. 〈中研院物理所吳茂昆所長榮獲第16屆「日經亞洲獎」〉,《臺北駐日本經濟文化代表處科技組》,https://www.most.gov.tw/japan/ch/detail?article_uid=b330886b-e8c1-47e2-8360-1873ddfecbc3&menu_id=d35ece3f-f84a-4909-8239-787ccea88be9&content_type=P&view_mode=listView。

4. 〈「超導體,我研究了一輩子!」專訪超導物理專家吳茂昆〉,《研之有物》,https://research.sinica.edu.tw/superconductor-wu-maw-kuen/。

科學領域
  • 吳茂昆 Wu Maw Kuen
  • 1949-至今
  • 花蓮出生 From Hualien
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