今のところ室温については心配しないでください。あなたは本当に超伝導を解明したのですか?

制作：中国科学普及協会

著者: 陸建龍

プロデューサー: 中国科学博覧会

最近、米国ロチェスター大学のランガ・ディアス氏は、自分のチームが摂氏21度、1万標準気圧で超伝導を実現できる材料を発見したと発表した。このニュースが報道されるやいなや、物理学界、さらには科学界でも白熱した議論が巻き起こった。

この論文が白熱した議論を呼んだ理由は、第一に、常温超伝導が物理学者たちにとって常に最高の聖杯であったこと、第二に、この論文は他の研究室では再現できなかったため、以前に撤回されたことがあったためである。そして、わずか半年後の今、その論文が再びネイチャー誌に掲載されました。

この研究の意義は何ですか?室温超伝導はなぜそれほど重要なのでしょうか?これは超伝導現象の発見プロセスから始まらなければなりません。

超伝導を初めて発見した人物

ご存知のとおり、超伝導とは、特定の条件（温度、圧力、磁場など）下で導体の抵抗がゼロになる現象を指します。 1911 年 4 月 8 日、オランダの物理学者ヘイケ・カメルリング・オンネスは実験によって超伝導を発見しました。

ハイケ・カメルリング・オンネス

(画像出典: Wikipedia)

1911 年は物理学の発展の歴史の中で見過ごされがちな年です。当時、特殊相対性理論が誕生してから6年、一般相対性理論はさらに4年、量子力学の完成はさらに15年後でした。当時の物理学者は、微視的レベルでの物理現象を明確に理解していませんでした。彼らは複雑かつ断片的なさまざまな理論的ツールに頼るしかなく、理論間の矛盾は際限がありませんでした。

オンネスが超伝導を観察する前は、物理学者の間では絶対零度に近い温度での導体の伝導性に関して合意が得られていませんでした。物理学者の中には、絶対零度に近い導体では電流がほぼ完全に停滞するとさえ推測した者もいた。言い換えれば、この時点で導体の抵抗は無限大に近づくことになります。その中には、絶対温度の単位に名前を付けた、19 世紀で最も有名な物理学者の 1 人である初代ケルビン男爵ウィリアム トムソンもいました。

1911年4月8日、オンネスは液体ヘリウム中の水銀を冷却し、4.2K（約-269℃）まで冷却された水銀が突然抵抗を失うことを発見しました。オネスはすぐにこの発見の重要性を認識し、その後この現象に関する一連の研究論文を発表しました。

水銀の超伝導の模式図

(画像出典: Wikipedia)

オンネスは史上初めて超伝導現象を観測した人物であり、その発見は低温における導体の特性に関する物理学者間のこれまでの論争に終止符を打ち、人類が超伝導の頂点へと登る壮大な旅の始まりとなった。この研究により、わずか2年後に彼はノーベル物理学賞も受賞した。

しかし、オンネスが観測した超伝導には 4.2K の温度が必要です。このような低温は、超伝導体が日常的に実用的に使用される可能性が基本的にないことを意味します。

発電所から数千世帯に長距離にわたって電力をほとんど損失なく送電するなど、日常生活で超伝導体を利用するには、日常生活に近い動作温度と圧力が必須条件となります。そのため、超伝導現象の存在が確認された後は、超伝導を生じる温度と圧力をいかに日常生活に近いレベルまで押し上げるかが物理学者の悲願となっている。

「高温」超伝導の追求

その後、物理学者は他の物質でも超伝導現象を発見し、超伝導臨界温度はますます高くなっていきました。

中でも、1986年にドイツの物理学者ヨハネス・ゲオルク・ベドノルツとスイスの物理学者カール・アレクサンダー・ミュラーが共同で発見したランタンバリウム銅酸化物は、人類史上初の高温（ここでの高温は相対的なものです）超伝導体です。その超伝導臨界温度（35K）は、Nb3SnやNb3Geなどの従来のニオブベースの超伝導材料よりも大幅に高くなっています。

この発見はすぐに 1987 年のノーベル物理学賞を授与され、その後、超伝導臨界温度 (93K) が液体窒素の沸点 (77K) を超えた人類史上初の高温超伝導体である有名なイットリウムバリウム銅酸化物 (YBCO) を含む一連の銅酸化物高温超伝導体が誕生しました。

液体窒素の沸点を重視するのはなぜでしょうか?導体の超伝導臨界温度が液体窒素の沸点を超えると、安価な液体窒素を使って簡単に超伝導体に冷却できることを意味し、従来の超伝導体に比べて適用コストが大幅に削減されるからです。

さまざまな超伝導材料の臨界温度

(画像出典: Wikipedia)

物理学者はまた、関連する実験材料に標準大気圧よりもはるかに高い圧力を加えることによって、より高い超伝導臨界温度が得られることも発見しました。

例えば、2015年には、硫化水素（H2S）に約150GPa（約150万標準気圧）の圧力を加えると、203K（約-70℃）の「高温」で超伝導相転移を起こすことができるということが発見されました。

実験で観測された超高圧条件下で最も高い超伝導臨界温度を持つ物質の一つはLaH10であり、その対応する圧力と臨界温度はそれぞれ約170GPaと250K（約-23℃）である。この気温は摂氏0度に非常に近いです。北東部に住んでいる読者なら、この気温には慣れているはずです。

しかし、超高圧条件は、実験室での発見と日常の実用化の間にあるギャップです。結局のところ、大規模な超高圧装置は天文学的なコストを意味します。実際のアプリケーションでは、材料特性に加えて、コスト管理も考慮する必要があります。

超伝導の背後にある現象を詳しく見る

実験の進歩とともに、物理学者も超伝導現象の背後にある物理的原理を理解したいと考えており、超伝導現象に関する理論的研究も進められています。

1950年という早い時期に、ロシアの物理学者ヴィタリー・ギンツブルグとレフ・ランダウは、彼らの名前にちなんで名付けられたギンツブルグ・ランダウ理論を提唱しました。これは、マクロな超伝導を記述するために使用される現象論的モデルであり、超伝導の背後にある微視的なメカニズムは考慮されません。

ヴィタリー・ギンツブルグ（左）とレフ・ランダウ（右）

画像出典: Wikipedia

それは、熱現象を研究するとき、物理学者が熱力学と呼ばれる一連の理論を持っているようなものです。これは、物体のいくつかのマクロな特性（温度、圧力など）を研究するもので、より深いミクロな概念（物体を構成する原子など）は考慮しません。

ギンツブルグ-ランダウ理論には、ギンツブルグ-ランダウ方程式があります。ギンツブルグ-ランダウ方程式からは、コヒーレンス長と浸透深度という 2 つの重要な物理量も得られます。これら 2 つの特性長さの比率は、物理学者がタイプ I 超伝導体とタイプ II 超伝導体を分類する基準となります。

タイプ I 超伝導体とタイプ II 超伝導体とは何ですか?簡単に言えば、最初のタイプの超伝導体は臨界磁場値を持っています。外部磁場の強度がこの臨界値を超えると、導体全体は超伝導体ではなくなります。 2 番目のタイプの超伝導体には、2 つの臨界磁場値があります。外部磁場の強度がこれら 2 つの臨界値の間にある場合、導体内には抵抗がゼロになる領域がまだいくつか存在します。外部磁場の強度が 2 つの臨界値を超えると、導体は超伝導性を失います。

超伝導の微視的メカニズムに関する史上初の理論は 1957 年に誕生しました。この理論を考案したのはアメリカの物理学者ジョン・バーディーン、レオン・クーパー、ジョン・ロバート・シュリーファーであったため、BCS 理論と名付けられました。

BCS 理論によれば、導体内の電子とフォノンの相互作用により電子間に引力が生じ、クーパー対と呼ばれる電子対が形成されます。凝縮状態のクーパー対は、超流体のように障害物なしに導体内部を自由に流れることができ、極低温での導体の超伝導特性はこれに由来します。

しかし、BCS理論はすべての超伝導現象を説明できる究極の理論ではありません。例えば、前述の銅酸化物高温超伝導体は、BCS理論では説明できません。 BCS 理論では説明できないこれらの超伝導体は、非従来型超伝導体と呼ばれます。最も古い非従来型超伝導体は、1979年に発見されたCeCu2Si2です。その超伝導臨界温度はわずか0.6Kで、同じく非従来型超伝導体である銅酸化物高温超伝導体よりもはるかに低いです。

非従来型超伝導体の背後にある微視的メカニズムの研究は、活発な研究分野です。有名な例としては、1987 年にアメリカの物理学者フィリップ・ウォーレン・アンダーソンとインドの物理学者ガナパティ・バスカランが提唱した共鳴原子価結合理論があります。

電子間の共有結合

(画像出典: Wikipedia)

この理論では、酸化銅格子内の電子は隣接する銅イオン間で共有結合を形成し、固定されます。ドーピング後、これらの電子は可動クーパー対を形成し、超伝導を生み出すことができます。 2018年にインターネット上で話題になったねじれ二重層グラフェンも、従来とは異なる超伝導体です。

今のところ、非従来型超伝導体を完全に理解するにはまだ遠い道のりです。

結論

ディアス氏のチームが今回発見した物質は、摂氏21度、1万気圧で超伝導状態を実現できる。 10,000 標準気圧は高いように思えるかもしれませんが、前述の数百万標準気圧を必要とする他の高温超伝導体と比較すると、これは「ほぼ常圧」と呼ぶことができます。この発見がその後他の研究グループによって確認されれば、間違いなく実験上の大きな飛躍となるだろう。それが確認できるかどうかについては、まだ待って見なければなりません。

もちろん、たとえ確認されたとしても、ディアス氏のチームが発見した新素材が日常的に応用されるまでにはまだまだ時間がかかる。なぜなら、考慮すべき要素は超伝導臨界温度と圧力だけではないからだ。臨界電流密度と臨界磁場も重要です。さらに、実験室での小規模な調製から大規模な工業生産に至るまでのエンジニアリング上の問題も避けられない課題です。

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