超伝導
凝縮系物理学の分野において、超伝導は最も魅力的な現象の一つです。これは、特定の材料が特定の臨界温度以下に冷却されたときに、電気抵抗が完全に消失し、磁場が排除される物質の状態を特長とします。この現象は、オランダの物理学者 Heike Kamerlingh Onnes によって1911年に初めて発見され、水銀を 4.2 K（ケルビン）以下の温度で観察しました。
発見と歴史的な発展
超伝導への旅は一世紀以上前に始まりました。Onnesは非常に冷却した金属で実験を行い、水銀の電気抵抗が4.2 Kで突然ゼロになることを発見しました。この驚くべき結果は、科学界に多大な関心を呼び起こし、超伝導の発見をもたらしました。その後、超伝導は鉛やニオブなどの他の材料にも発見され、それぞれ独自の臨界温度を持っています。
Onnesの発見後の数年間、研究者たちはその基礎となるメカニズムを理解しようとしました。現象は何十年も科学者を悩ませましたが、1957年に三人の物理学者、John Bardeen、Leon Cooper、Robert SchriefferがBCS理論を導入し、従来の低温超伝導体の超伝導に対する満足のいく理論的説明を提供しました。
超伝導体の基本的特性
ゼロの電気抵抗
超伝導体の最も注目すべき特徴の一つは電気抵抗の消失です。通常の導体では、電子は不純物や格子振動によって散乱され、抵抗を引き起こします。超伝導体では、臨界温度以下ではこれらの散乱プロセスが停止し、電子は妨げられることなく材料を通過することができます。この特性により、電流をエネルギー損失なしで伝達することが可能になります。
マイスナー効果
超伝導の二つ目の基本的特徴は、1933年にWalther MeissnerとRobert Ochsenfeldによって発見されたマイスナー効果です。彼らは、ある物質が超伝導状態に達すると、磁場をその内部から排斥することを発見しました。この磁場の排斥こそが、理想的な導体と超伝導材料を分けるものです。
マイスナー効果の例:
上の図は超伝導体（青色）で、磁場の線（緑色）がそれを回り込んで曲がっている様子を示し、磁場の排斥、つまりマイスナー効果を示しています。
超伝導の理論的説明
BCS理論
BCS理論は、その開発者であるBardeen、Cooper、Schriefferの名前にちなみ、電荷が等しいために通常は互いに反発する電子が、なぜ超伝導体でクーパー・ペアを形成するのかという疑問に答えます。
クーパー・ペア
クーパー・ペアは、格子構造内で低温で結合された電子のペアであり、フェルミオンではなく（ボース・アインシュタイン統計に従う）ボソンのように振る舞います。ボソンとして、彼らは同じ量子状態に凝縮することができるため、散乱されることなく超伝導体を移動することができます。
クーパー・ペアの形成:
電子 1 ----- フォノンの雲 ----- 電子 2
上の図では、電子が格子を通過しながら正の電荷のパターンを作成し、別の電子を引き寄せて、格子振動またはフォノンを介してペアを形成しています。
バンドギャップ
BCS理論は、フェルミ準位での電子密度の状態にエネルギーギャップを予測します。このエネルギーギャップは、通常の金属で支配的な散乱状態を防ぎ、超伝導を引き起こします。エネルギーギャップの大きさは温度に依存し、温度が臨界温度に近づくと減少します。
超伝導体の種類
タイプI超伝導体
タイプI超伝導体は、単一の臨界磁場で特徴付けられ、それ以下では完全な反磁性を示し、完全なマイスナー効果を発揮します。この臨界磁場を上回ると、超伝導性は急激に失われます。
タイプII超伝導体
タイプII超伝導体は、低臨界磁場と高臨界磁場として知られる二つの臨界磁場を持っています。低臨界磁場以下では、完全なマイスナー効果を示しますが、低臨界磁場と高臨界磁場の間では、磁場の線が渦状態を通じて部分的に浸透し、小さな領域が正常になります。高臨界磁場を超えると、超伝導性は完全に失われます。
タイプII超伝導体における磁場浸透の図解:
このビジュアルは、タイプII超伝導体の独特な動作と、臨界磁場内で磁場が渦として侵入する方法を示しています。
超伝導の応用
磁気浮上列車（マグレブ）
超伝導体は磁気浮上列車で使用されています。超伝導体は磁場をキャンセルする能力（マイスナー効果）を持っており、列車がトラックの上にほぼ摩擦なしで浮かぶことを可能にします。
磁気共鳴画像装置（MRI）
MRI装置は強力な超伝導磁石を使用しており、人間の体の高解像度画像を生成するために必要な磁場を生成し、医療診断を支援します。
電力ケーブル
超伝導体のゼロ抵抗特性は、長距離にわたって電気をほとんどまたはまったくエネルギー損失なしで送電することを可能にし、効率を大幅に向上させることができます。
粒子加速器
粒子加速器では、超伝導磁石が粒子ビームを指向して集中させます。これらの磁石は、CERNの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）などの施設において重要な構成要素です。
課題と将来の展望
超伝導の広範な採用は、大体的に非常に低温での動作要求が原因で課題に直面しています。しかし、1980年代後半に銅酸化物セラミックスに基づく高温超伝導体が発見されたことで、より実用的な応用の可能性が浮上しました。さらに高温、理想的には室温に近い温度で超伝導になる材料の探索は続いています。
要するに、超伝導は物理学で最も興味深い現象の一つであり、さまざまな技術分野に重要な影響を与える可能性があります。研究が進むにつれ、その可能性がさらに高まり、超伝導体ベースの技術が日常的に利用可能になることが期待されています。
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