超電導体:特性、用途、およびその仕組み

超伝導体と超伝導は現代の物理学と材料科学における魅力的な分野であり、磁気共鳴画像法 (MRI) から量子コンピューティングまで幅広い用途に使用されています。ここでは、超伝導体の概念、その分類方法、その特性、仕組み、応用について見ていきます。

超電導体と超電導とは何ですか?

超電導 量子力学的現象であり、材料が特性臨界温度 (Tc) 以下に冷却されると電気抵抗がゼロになり、磁場が放出されます。超伝導体はこの現象を示す物質です。

超伝導体の特性

超伝導体は完全な電気伝導体であり、熱や音によるエネルギー損失がなく直流電流が流れ続けます。完全な反磁性材料です。超伝導体は外部磁場も排除し、マイスナー効果を引き起こします。超伝導体の上に浮かぶ永久磁石がこの効果を実証します。ゼロ抵抗とマイスナー効果はすべての超電導体に共通の特性ですが、材料によって異なる特性もあります。

材料に依存しない特性

• 電気抵抗ゼロ :これは最も特徴的な機能であり、超伝導体がエネルギーを損失することなく電流を流すことができるようになります。
• マイスナー効果 :マイスナー効果とは、超伝導体の内部からの磁場の排除です。

材質に依存する特性

• 臨界温度 (Tc) :臨界温度とは、それを下回ると材料が超伝導状態になる温度です。
• 臨界磁場 (Hc) :これは、超電導を破壊する磁場の強さです。
• 臨界電流密度 (Jc) :これは、超電導特性を失うことなく材料が流すことができる最大電流密度です。

超電導材料とその例

周期表上の元素の約半分は超伝導を示します。ただし、他の多くのマテリアルでもこの効果が見られます。

• 金属元素 :水星は最初に発見された超伝導体です。
• オーガニック :たとえば、カーボン ナノチューブやフラーレンは超伝導体です。
• 合金 :例としては、ニオブチタンやゲルマニウムニオブなどが挙げられます。
• セラミック :例には、銅酸化物 (イットリウム バリウム銅酸化物または YBCO など) や二ホウ化マグネシウムが含まれます。
• 鉄ベース :セレン化鉄 (FeSe) およびフッ素ドープ LaOFeAs。

超電導体の分類

超伝導体を分類するにはいくつかの方法があります。

1.タイプ I とタイプ II

• タイプ I 超伝導体 :これらは従来の超伝導体としても知られています。これらは抵抗を完全に失い、マイスナー効果を完全に示します。通常、臨界温度は低く、比較的弱い磁場によって破壊されます。
• タイプ II 超伝導体 :これらは、より高い磁場でも超電導のままです。これらは部分的なマイスナー効果を示し、混合状態に分けられます。

2.従来型と型破り

• 従来の超電導体 :BCS 理論 (バーディーン・クーパー・シュリーファー理論) は、主に元素金属と半金属で構成されるこれらの超伝導体を説明します。
• 型破りな超電導体 :これらの材料は BCS 理論に準拠しておらず、高温超伝導体が含まれています。

3.高温と低温

• 高温超電導体 :これらの材料は、絶対零度よりも大幅に高い温度では超伝導になりますが、それでも極度の低温 (30 K または -243.15 °C 以上) です。
• 低温超伝導体 :絶対零度に近い温度では超伝導になります。

4.マテリアル クラス別

例:

• 金属超電導体 :ニオブ、鉛、水銀など。
• 銅酸化物超伝導体 :銅ベースの高温超伝導体
• 鉄系超電導体 :高温超伝導を示す新しいクラス。

超電導体の仕組み

BCS 理論は、従来の (タイプ I) 超電導体がどのように機能するかを説明します。この理論の名前は、1957 年に理論を定式化したジョン バーディーン、レオン クーパー、ロバート シュリーファーにちなんで付けられました。電子はクーパー対として知られるペアを形成します。これらのペアは散乱することなく材料の格子中を移動するため、電気抵抗がゼロになります。

仕組みは次のとおりです。

1.クーパー対と電子対

常電導体では、電気抵抗は主に、不純物から散乱する電子と材料内の格子振動 (フォノン) によって発生します。対照的に、超伝導には、クーパー対として知られるペアを形成する電子が含まれます。

• クーパーペア :これらは、直観に反して、同一の負電荷にもかかわらず、特定の条件下で互いに引き付け合う電子のペアです。格子振動がこの引力を媒介します。
• フォノン調停 :電子が格子の中を移動すると、近くの陽イオンを引き付けます。これにより、電子を引き寄せる正電荷密度の領域が形成され、効果的な電子間の引力が生じます。この相互作用はフォノンによって媒介されます。フォノンは、振動する原子から生じる振動エネルギーの量子単位です。

2.エネルギーギャップと超伝導状態

• エネルギーギャップ :クーパー対の形成により、超伝導状態と通常状態の間にエネルギーギャップが生じます。このギャップは、ペアを破壊して超伝導を破壊するには一定量のエネルギーが必要であることを意味します。
• 抵抗のない流れ :超伝導状態では、これらのクーパー対は散乱することなく格子内を移動します。これが、超電導体の電気抵抗がゼロになる主な理由です。

3.臨界温度 (Tc)

• 各超電導体には特定の臨界温度があり、それ以下では超電導性を示します。この温度を超えると、熱エネルギーによってクーパー対が破壊され、材料は通常の伝導状態に戻ります。

4.マイスナー効果

• 超電導体は、ゼロ抵抗に加えて、マイスナー効果も示します。材料が超伝導状態に遷移すると、その内部から磁場が放出されます。これは、超伝導状態における超伝導体の反磁性の性質によるもので、外部磁場に完全に対抗します。

高温超電導と非従来型超電導体

BCS 理論は、高温 (タイプ II) または非従来型超伝導体を完全には説明しません。銅酸化物や鉄系超伝導体などのこれらの材料は、より高い臨界温度とより複雑な構造を持っています。超伝導の正確なメカニズムはまだ研究の対象です。理論によれば、電子対形成機構にはフォノン媒介よりも複雑な相互作用が関与している可能性があります。

超電導の歴史とノーベル賞

超伝導は、1911 年にヘイケ・カメルリング・オンネスによって水銀で初めて観察されました。

現在までに、超伝導の研究に対して 5 つのノーベル物理学賞が受賞しています。

• 1913 年 :ヘイケ・カメルリング・オンネス氏が超電導の発見でノーベル賞を受賞
• 1972 年 :ジョン バーディーン、レオン N. クーパー、J. ロバート シュリーファーが BCS 理論でノーベル賞を受賞
• 1973 年 :半導体と超伝導体のトンネル現象に関する発見により、江崎玲於奈、アイヴァー・ギアバー、ブライアン・D・ジョセフソンがノーベル物理学賞を受賞しました。
• 1987 年 :J. Georg Bednorz 氏と K. Alex Müller 氏、銅酸化物の高温超伝導の発見
• 2003 :アレクセイ A. アブリコソフ、ヴィタリー L. ギンズブルグ、アンソニー J. レゲットが、超伝導体と超流体の理論への先駆的な貢献により賞を受賞しました。

超電導体の応用

超伝導体にはさまざまな用途があります。

• 磁気共鳴画像法 (MRI) :超電導磁石は強力で安定した磁場を生成します。
• 粒子加速器 :超伝導体は大型電磁石の構築において重要な役割を果たします。
• 磁気浮上 (リニアモーターカー) 列車 :電車は超電導体を利用して摩擦のない高速輸送を実現します。
• 電力伝送 :超電導ケーブルは電力を損失なく伝送します。
• 量子コンピューティング :超伝導体は、量子コンピューター用の量子ビット開発の鍵となります。

参考文献

• バーディーン、ジョン;クーパー、レオン。シュリーファー、J.R. (1957)。 「超電導理論」。 物理学。改訂 。 108:1175。ISBN 978-0-677-00080-0。 doi:10.1103/physrev.108.1175
• コンベスコット、ローランド (2022)。 超伝導 。ケンブリッジ大学出版局。 ISBN 9781108428415。
• アラン・デュラント (2000)。 物質の量子物理学 。 CRCプレス。 ISBN 978-0-7503-0721-5。
• J. E. ハーシュ;メイプル、MB。マルシーリオ、F. (2015)。 「超電導材料クラス:概要と概要」。 フィジカ C:超伝導とその応用 。超電導材料:従来型、非従来型、未定。 514:1-8。 doi:10.1016/j.physc.2015.03.002
• シリング、A.;他。 （1993年）。 「Hg-Ba-Ca-Cu-O 系における 130 K 以上の超伝導」。 自然 。 363 (6424):56–58。土井:10.1038/363056a0