超伝導体は、特定のしきい値温度以下に冷却されると、材料がすべての電気抵抗を劇的に失う元素または金属合金です。原理的には、超伝導体はエネルギー損失なしに電流を流すことができます (ただし、実際には、理想的な超伝導体を生成するのは非常に困難です)。このタイプの電流はスーパーカレントと呼ばれます。
材料が超伝導体状態に遷移するしきい値温度は Tc と指定されます 、これは臨界温度を表します。すべての物質が超伝導体になるわけではなく、超伝導体になる物質にはそれぞれ独自の値 Tc があります .
超伝導体の種類
- I型超伝導体 室温では伝導体として機能しますが、Tc 未満に冷却すると導体として機能します 、材料内の分子運動が十分に減少し、電流の流れが妨げられずに動くことができます.
- タイプ 2 超伝導体は、室温では特に優れた伝導体ではありません。超伝導体状態への遷移は、タイプ 1 超伝導体よりも緩やかです。この状態変化のメカニズムと物理的根拠は、現時点では完全には理解されていません。タイプ 2 超伝導体は通常、金属化合物と合金です。
超伝導体の発見
超伝導は、1911 年にオランダの物理学者 Heike Kamerlingh Onnes によって水銀が約 4 ケルビンに冷却されたときに初めて発見され、1913 年のノーベル物理学賞を受賞しました。それ以来、この分野は大幅に拡大し、1930 年代のタイプ 2 超伝導体を含む、他の多くの形態の超伝導体が発見されました。
超伝導の基本理論である BCS 理論は、科学者 (ジョン・バーディーン、レオン・クーパー、ジョン・シュリーファー) に 1972 年のノーベル物理学賞をもたらしました。 1973 年のノーベル物理学賞の一部は、ブライアン ジョセフソンにも贈られました。
1986 年 1 月、Karl Muller と Johannes Bednorz は、科学者の超伝導体に対する考え方に革命を起こす発見をしました。これまで、超電導は絶対零度近くまで冷やして初めて現れると理解されていましたが、バリウム、ランタン、銅の酸化物を使うと約40度ケルビンで超電導になることがわかりました。これにより、はるかに高い温度で超伝導体として機能する材料を発見する競争が始まりました.
それ以来数十年間、到達された最高温度は約 133 ケルビンでした (ただし、高圧を適用すると、最大 164 ケルビンに達する可能性があります)。 2015 年 8 月、Nature 誌に掲載された論文は、高圧下で 203 ケルビンの温度で超伝導が発見されたことを報告しました。
超伝導体の応用
超伝導体はさまざまな用途で使用されていますが、特に大型ハドロン加速器の構造内で使用されています。荷電粒子のビームを含むトンネルは、強力な超伝導体を含むチューブに囲まれています。超伝導体を流れる超電流は、電磁誘導によって強力な磁場を生成します。これを使用して、チームを必要に応じて加速および方向付けることができます。
さらに、超伝導体は、材料内部のすべての磁束を打ち消し、完全に反磁性になるマイスナー効果を示します (1933 年に発見されました)。この場合、磁力線は冷却された超伝導体の周りを実際に移動します。量子浮揚で見られる量子ロックなどの磁気浮揚実験で頻繁に使用されるのは、超伝導体のこの特性です。つまり、バック トゥ ザ フューチャー スタイルのホバーボードが現実になります。それほど平凡なアプリケーションでは、超伝導体は、磁気浮上列車の最新の進歩において役割を果たします。これは、再生不可能な電流とは対照的に、電気 (再生可能エネルギーを使用して生成できる) に基づく高速公共交通機関の強力な可能性を提供します。飛行機、車、石炭動力の列車などのオプション。
Anne Marie Helmenstine 博士による編集
