從BCS到Higgs 國立臺灣大學物理學系高涌泉教授/國立臺灣大學物理學系高涌泉教授責任編輯 平常「高高在上」的粒子物理，有時也會向研究低能量現象的凝態物理取經。 耗資數十億美元、位於日內瓦的大型強子對撞機（LHC）啟動，這是物理學界的大事。未來一旦LHC捕捉到物理學家期盼已久的希格斯（Higgs）粒子，必然是轟動全球的報紙頭版新聞。就算LHC沒有找到希格斯粒子，如果發現其他東西，也一樣會是超級大新聞。總之未來一陣子，大家一定會持續遇上希格斯這三個字。 有人抱怨過科學名詞如果涉及人名，十有八九是不公平的。這種講法或許太過誇張，不過希格斯（Peter W. Higgs）先生的確不是首先、也不是唯一提出所謂「希格斯機制」的物理學家。如果我們要列出對於希格斯機制有重要貢獻的物理學家，在希格斯之外，名單起碼還要包括：金茲柏格（Vitaly L. Ginzburg）、藍道（Lev D. Landau）、施溫格（Julian Schwinger）、安德森（Philip Anderson）、高德史東（Jeffrey Goldstone）、南部陽一郎（Yoichiro Nambu）、布繞特（Robert Brout）、翁勒（Francois Englert）等人。事實上，2004年的沃爾夫獎（Wolf Prize）除了希格斯，還頒給布繞特與翁勒，以表揚三人在1964年對於「產生規範粒子質量機制」的「先驅工作」。我想希格斯的名字之所以能夠「脫穎而出」，主因是希格斯的論文非常清楚易讀，才佔了便宜。 希格斯曾在一場回顧粒子物理歷史的會議上說，他對於自發對稱破缺（spontaneous symmetry breaking）的興趣起於南部陽一郎在1961年發表的一篇文章。 Tweet

歐尼斯 Heike Kamerlingh Onnes 國立彰化師範大學物理學系研究所許嘉榕研究生/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯 歐尼斯是荷蘭的物理學家，超導現象的發現者，低溫物理學的奠基人。1他利用液氦量測水銀在極低溫時的電性，當溫度下降到4.2K時水銀的電阻完全消 失，這種現象稱為超導電性。超導體的特殊電性的狀態命名為超導態（superconducting state），又超導態和正常態相變的轉換溫度為超導臨界溫度（superconducting critical temperature，以 Tc表示）。陸續在1913年，歐尼斯發現鉛（Pb, Tc = 7.2 K）和錫（Sn, Tc = 3.8 K）一樣具有超導性。1913年，由於歐尼斯對物質在低溫狀態下性質的研究以及液化氦氣，歐尼斯被授予諾貝爾物理學獎。 Tweet

卡匹察 Pyotr Leonidovich Kapitsa 國立成功大學光電科技研究所林宣鳴研究生/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯 卡匹察超流體的發現者之一，卡皮查由於在低溫物理學方面的發現，與美國工程師彭齊亞斯和威爾遜共同獲得諾貝爾物理學獎。 卡匹察(1894 -1984)出生在俄國，在1918年畢業於彼得格勒職業技術學院。於盧瑟福領導的卡文迪許實驗室工作十餘年，在那裡進行強磁場方面的研究，1930年成 為專門研究強磁場的蒙德實驗室的第一任主任。1929年卡皮查被選為英國皇家學會院士。在1920年代，他發起創建的技術就是超強磁場的高電流注入短暫專 門建造的空芯電磁鐵。1928年，他發現電阻率的線性依賴於很強的磁場中的各種金屬。在劍橋的最後幾年卡皮查轉向低溫研究。 Tweet

超流體（Superfluid） 國立臺灣師範大學物理系吳幸璇碩士生/國立臺灣師範大學物理系蔡志申教授責任編輯 何謂「超流」？簡單來說超流體指的是沒有阻力的液體，流動時完全沒有阻力。 1908年，昂尼斯（Heike Kamerlingh Onnes）以其獨有的低溫技術將氦氣液化成功，而氦的液化溫度是4K。我們知道天然的氦氣其原子核含有兩個質子，兩個中子，核外有兩個電子，記為 4He 。又氦的同位素， 3He ，則是比 4He 要少一個中子。由圖一可知 4He 的超流性質要在2.2K溫度處才顯示出來，而 3He 則要到2.7mK溫度處才呈現超流性質。 Tweet

超導體的發展歷程（上）(History of Superconductivity) 中華大學吳添全博士後研究/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯 1911年，荷蘭科學家歐尼斯(Kamerlingh-Onnes)是超導現象的發現者，低溫物理學的開創者。他利用液氦量測水銀在極低溫時的電性，當溫度下降到4.2K時水銀的電阻完全消失，這種現象稱為超導電性。超導體的特殊電性的狀態命名為超導態（superconducting state），又超導態和正常態相變的轉換溫度為超導臨界溫度（superconducting critical temperature，以 Tc表示）。陸續在1913年，歐尼斯發現鉛（Pb, Tc = 7.2 K）和錫（Sn, Tc = 3.8 K）一樣具有超導性。1913年，由於歐尼斯對物質在低溫狀態下性質的研究以及液化氦氣，歐尼斯被授予諾貝爾物理學獎。 1930年代，發現鈮(Nb, Tc=9.2K)為所有純金屬中 Tc 最高者。接著化合物的超導特性也陸續被找到，特別是硬度高的材料如氮化物、碳化物之類，發現氮化鈮（NbN, Tc = 11.1 K）、碳化鈮（NbC, Tc = 17 K）。 1933年，邁斯納(W. Meissner)和奧克森菲爾德(R. Ochsenfeld)發現，超導鉛放在磁場中冷卻，只要金屬從正常態變到超導態後，磁力線就會完全被排除到超導體之外，不能通過超導體，超導具有完全抗磁性。此現象稱為邁斯納效應(Meissner effect)。 1950年，Maxwell等人發現臨界溫度會與同位素的原子平均質量的平方根成反比，故較重的同位素有較小的臨界溫度，此即所謂的同位素效應(Isotope effect)。引進超導體的自由電子與晶格振動有關的理論，此實驗結果影響到超導理論的研究發展。 1950年，維塔利•金茲堡同朗道在朗道二級相變理論的基礎上提出的一個描述超導現象的唯象數學模型-金茲堡-朗道方程。 1953-1973年，合金超導體也陸續被找到，釩化矽（V3Si, Tc = 17.5 K），鈮化錫（Nb3Sn, Tc = 18 K），鈮化鍺(Nb3Ge, Tc = 23.2 K)。這種高場磁體，開闢了超導體在強電中的應用。 1957年，阿列克謝．阿布里科索夫(Alexei Abrikosov)研究超導體在外加磁場下的行為發現兩種不同性質，將其分類為第一類和第二類超導體(Type-I and Type-II Superconductor)。預測第二類超導體於磁場下其磁通線以三角晶格排列的點陣排列。2003年獲諾貝爾物理學獎。 參考資料：… 繼續閱讀 »

麥士納效應 （Meissner Effect） 國立台南第一高級中學物理科王俊乃老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯 將超導體放置在微弱的外界磁場中，該磁場僅能穿透超導體內部些許距離，很快地就遞減為零，該距離稱為London penetration depth，該現象又稱為Meissner effect，這是超導體的獨特性質。對大部分的超導體而言，London penetration depth大約是100nm的數量級。 Meissner effect常常和反磁性的觀念混淆。根據冷次定律，如果對導體施加隨時間改變的外界磁場，在導體內會產生感應電流，感應電流產生的感應磁場會和外界磁場的變化方向相反。若是完美的導體，則感應電流可以是任意值，而且感應磁場會完全抵銷外界的磁場。 然而Meissner effect是截然不同的，因為超導體會反抗所有的磁場，包含隨時間改變和不變的各種磁場。若在超導體外部放置一均勻的磁場，當超導體溫度降低至臨界溫度以下，會觀察到超導體內部產生反抗的磁場，這不是由冷次效應產生的。 Tweet

超導體的應用(Applications of Superconductivity） 國立虎尾科技大學電子工程系吳添全助理教授/國立彰化師範大學洪連輝教授責任編輯 超導體的相關現象、應用、材料、理論等研究已有相當大的突破，並有多人獲得諾貝爾獎。利用超導體的兩大特性—零電阻與反磁性，在目前已有許多不同方式的應用：運用一般導體做磁體時，若要產生1特斯拉(即1萬高斯)以上的磁場，則需要利用銅線繞成螺線圈所產生的電磁鐵通上電流。因此在螺線圈的中心則會有穩定的強磁場，但此裝置卻需要消耗大量的電能及大量的冷卻用水。若要求改善此裝置，我們可以用較粗的銅線，如此以來電阻就會比較小，但是為求保持原磁場，那麼表示所繞的螺線圈數就要一定，整個裝置的體積就會變大，那就不符合經濟效益。而超導材料在超導狀態下具有零電阻和抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得這麼大的穩態強磁場。 目前低溫超導材料的應用，大致有「線材」與「薄膜」兩大類。 線材已有許多應用，作為低溫超導材料的主要代表NbTi合金和Nb3Sn，主要是利用超導零電阻現象產生超高磁場及傳輸電流。例如核磁振造影（magnetic resonance image, MRI）及核磁共振（nuclear magnetic resonance, NMR）。日本的超導磁浮列車所用的超強磁鐵，就是使用低溫超導線材所製作的超導線圈。 薄膜：超導電子對可以穿隧大約奈米厚絕緣層的現象，就是所謂的「約瑟芬穿隧效應（Josephson Tunneling）」。用超導薄膜可以將約瑟芬穿隧效應應用在各類電子或磁性感測元件上，例如超導量子干涉磁量儀（superconducting quantum interference device, SQUID）就是一種能夠偵測極低磁場的感測器，以量測材料的磁性，還有生物醫學上的應用。因為高溫超導材料對於未來電力傳輸、儲能系統、馬達、發電機、變壓器、磁浮列車、醫療設備、微波通訊和高速電腦等產業，具有很大的影響，或許在未來的高溫超導材料應用工業上占有領先的地位。甚至可以媲美半導體對電子與資訊產業的影響，許多新的應用也將逐步實現。 參考資料：http://en.wikipedia.org/wiki/Tec … f_superconductivity Tweet

超導體的發展歷程（下）（History of Superconductivity） 國立虎尾科技大學電子工程系吳添全助理教授/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯 1957年，在美國伊利諾大學的巴丁(B. D. Bardeen)、古柏 (L. N. Cooper)及施里弗(J. R. Schrieffer)發表了著名的超導微觀理論，以他們名字首字母命名的BCS理論。描述電子在晶格中移動時會改變鄰近正電荷分佈，形成一個局域的高正電荷分佈，並吸引自旋相反的電子，形成古珀對。 BCS理論成功解釋了傳統超導的特性。巴丁、古柏、施里弗因此獲得1972年的諾貝爾物理學獎。 1962年約瑟芬推展所謂「約瑟夫遜效應」（Josephson effect），依據量子穿隧效應可知超導體中的超導電子對（古柏對Cooper pairs）會從兩邊進入絕緣層，彼此互相耦合將超導應用推廣到新的領域，由於微弱信號檢測上有很大的用處，可以將超導材料做成很靈敏的探測器。 1986年，德國柏諾茲(Bednorz)和瑞士繆勒(Müller)發現陶瓷性K2NiF4 型結構的超導體材料，鑭鋇銅氧（La4.25Ba0.75Cu5O15-x, Tc = 35 K），其臨界溫度雖然有提升超過30K，但溫度仍不高，不過他們開創了超導的新紀元。 1987年， 朱經武與吳茂昆和趙忠賢相繼在釔－鋇－銅－氧系材料上把臨界超導溫度提高到90K以上，跨越了液氮的「溫度壁壘」（77K），同時因為高溫超導體的發現使得超導的各方面應用向前跨了一大步。從而獲得了1987年諾貝爾物理學獎。 1987 年Maeda發現鉍鍶鈣銅氧化合物（Bi2Ca2Sr2Cu3O10+x ），臨界溫度高達 110 K的超導體化合物。 1987年Sheng 和 Hermann發現鉈鋇鈣銅氧化合物（Tl2Ba2Ca2Cu3O10+y）把臨界超導溫度的記錄提高到125K。 1993年Schilling 發現 HgBa2Ca2Cu3O8+d 超導體，其 Tc 高達 135 K，是目前 Tc 最高的超導材料。 2001年，J. Nagamatsu發現二硼化鎂(MgB2)，雖超導臨界溫度達到39K，但此化合物的發現，打破了非銅氧化物超導體(non-cuprate superconductor)的臨界溫度紀錄。  2008 年鐵基超導體氧化物的發現，其含鐵卻有超導的特性打破了以往磁性材料不能為超導的印象。此系統亦被簡稱為「1111系統」。此化合物的發現，非但再度打破了由MgB2保持的非銅氧化物超導體(non-cuprate superconductor)的臨界溫度紀錄，其含鐵卻有超導的特性也受人注目。 參考資料：http://en.wikipedia.org/wiki/Superconductivity Tweet

電磁學的發展（Electromagnetism） 台中縣立中港高級中學物理科中港高中物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯 電磁學的形成是由馬克士威(Maxwell)集靜電、靜磁、電流、電流磁效應與電磁感應五大領域而寫成馬克士威四大方程式而確立。然而電磁學的發展並不因為電磁學理論的完備而停止，後續還有很多的發展。 1905年愛因斯坦提出狹義相對論(specific relativity)主要是修正牛頓的時空絕對論與馬克士威的光速改變理論。對馬克斯威方程式而言，在不同坐標下，因為相對速度的改變，所以光速也會隨之改變，這種舊的轉換稱為伽利略轉換(Galilean transformation)。 但根據後來的實驗證實：真空中光速不隨觀察者的座標不同而改變，因此愛因斯坦在狹義相對論中提出：真空光速為定值的理論，且任何觀察者的座標系統下，均不可能超過真空光速。這個理論使馬克士威方程式在不同座標系間必須使用羅倫斯轉換(Lorentz transformation)。 在不考慮相對論下的電磁學又可稱為古典電動力學(classical electrodynamics，CED)，簡稱為電動力學，但是電動力學其實包含靜電與靜磁以及靜力平衡等，未必是動力學(dynamics)。 在相對論之後，眾人發展出量子力學，後來演變成量子場論和量子電動力學(quantum electrodynamics，QED)兩支，在1920年被提出，受到阿貝爾規範理論(abelian gauge theory)，對於光子、電子與正子的交互作用以朗格朗日(Lagrangian)作規範。在古典光學中，光依照費瑪定理(Fermat’s principle)採取最短或最長或其他路徑通過介質，相同地在量子電動力學中，光在通過透鏡或小孔時，觀察者偵測到的是所有光的波函數相加的結果，而其他觀察者看到的是等價的或是無限多項數學展開式的集合(sets of mathematical expansions)，因此光速可能大於c，卻也可能小於c，但整體平均為c。在物理上，量子電動力學描述帶電粒子或他們的反粒子，利用光子交換來達到交互作用。交互作用的量值，可以利用微擾理論(perturbation theory)來求得，這些複雜的公式可以用費曼圖(Feynman diagrams)來表示。 參考資料: http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetism Tweet