假如室温超导体是真的？

Nature News在2023年8月16发表的新闻以〈LK-99 isn’t a superconductor — how science sleuths solved the mystery〉为题，引用许多验证实验的文献，对于前一阵子在国际学术界、产业界引起的室温超导体骚动，算是暂时划下休止符。

超导体在其临界温度（critical temperature）下要同时具有2个物理特性：

1. 零电阻，所以电子在流经超导体时不会发热。

2. Meissner effect，当有外加磁场时，磁场无法延伸入超导体内。我们经常看到的科普片中一个超导体悬浮于磁铁之上，即为此一效应的视觉展示。

超导体现象的发生以前，是需要极严苛的周遭条件，譬如极低温或极高压。也有理论来描述这现象：BCS理论（Bardeen-Cooper-Schrieffer theory）来描述，这是1972年物理诺尔奖得奖作品。

需要极端低温的环境下，才发生超导现象严重的限制超导体的应用—因此从1911年发现超导体现象迄今，物理学家致力于发现临界温度较高的超导体的材料。这百年最标帜性的突破是Georg Bednorz与K. Alex Muller于1986年发现的陶磁超导材料（1987年诺贝尔奖得奖作品）及随后朱经武的钇钡铜金属氧化物（Yttrium Barium Copper Oxide）。

之后虽然有新材料持续提升临界温度，但是关于其物理机制存有分岐，没有令人一致信服的理论。这其实很大程度的减缓临界温度的提升—没有理论基础的实验尝试，有时看来像是炼金术。

Nature News的文章用那些检验实验的结果，简单解释为何LK-99非超导体：韩国团队所看到的部分悬浮（partial lifting）现像是铁磁（ferromagnetism）机制；材料本身其实是绝缘体。看到的电阻在特定温度下骤降，乃因样品中掺有硫化铜的杂质，在那特定温度时硫化铜产生相变，造成电阻骤降。

没有杂质的样品，是看不到电阻骤降的现象，这就暂时结论学界目前的扰动：LK-99不是室温超导体。

但是如果真有室温超导体，最该立即投入研发的应该是半导体产业。半导体发展迄今，各方向发展的瓶颈几乎都集中于散热问题。

半导体发热的来源，简单归结有2个。

首先，是晶体管于0与1状态切换所需的能量，每次运作大概花1 fJ（femto Joule，10的负15次方）。看起来数量级很小，但是考虑到现在1片芯片上晶体管的闸极数（gate count），动辄以tera（10的12次方）为单位；而晶体管的运作速度可以达到ns（10的负9次方）等级，也就是每秒最高可以有10万亿次运作，发热量便相当可观。

但是，更大的发热源是焦耳热（Joule heat），也就是当电子通过金属时因为电子碰撞晶格产生的热耗散。这个热耗散存在于芯片与芯片之间的金属连线，譬如数据在CPU、DRAM、NAND Flash之间的穿梭来回—这其实是一个电子系统中最大的热耗散来源，也存在于单一芯片之中。

现代的IC芯片中有许多的信号线和电源线。现在的新工艺之一：晶背电源分配网络（BS-PDN；Back-Side Power Distribution Network），将供应晶体管运作电源的线路从原先的金属在线层，移到晶圆背面，使之比较接近坐落于晶圆底面的晶体管。单只是这样的缩短电源线的长度，就能大幅降低芯片的功耗和热耗散。

假如室温超导体存在，最该立即投入研发的应该是半导体产业。单只是以室温超导体材料替代目前单一芯片中的金属连线，以及在先进封装中用以连络芯片之间的连线，如此造成的导体价值增进就远超过目前所知超导体的其他的应用价值。

当半导体产业制程微缩的路走得日益艰难，先进封装以及新材料必须分担半导体创造新价值成长的责任，而室温超导体显然是新材料领域中，可一举解决目前半导体各方案中最大的共同瓶颈—热耗散问题。

虽然此次的挫败显示室温超导体的路途还长，但是室温超导体的利益巨大，作为已走到世界最前沿的几个半导体龙头企业，前瞻研究中室温超导体可以开始考虑涵盖此一议题了。