超伝導材料は私たちの世界をどのように変えるのでしょうか?

超伝導現象（画像提供：米国オークリッジ国立研究所）

SF映画「アバター」では、惑星パンドラにある魔法の常温超伝導鉱物「アンオブタニウム」がすごいです。この鉱物は超伝導特性を持っているため、そびえ立つ「ハレルヤ」の山々が空中に軽やかに浮かび、夢のような異星の驚異を作り出します。

映画「アバター」のスチール写真

科学の世界では、超伝導材料は魔法の「賢者の石」のようなものです。彼らは常識に反する「超能力」を持っている。電流が流れるときに抵抗がゼロになり、磁場を反発することができます。これらの特性により、多くの分野で比類のない応用可能性を秘めており、科学者にとって注目の研究テーマとなっています。発見されて以来、多くの科学者が探査に興味を持ちました。

超伝導体とは何か

超伝導体とは、一定の温度と磁場に達すると、(1)電気抵抗が消滅する、(2)電流が流れる、という2つの性質を持つ物質です。 ②内部磁場は完全に除去されます。

左: ハイケ・カメルリング・オネスは、T = 4.21 K で水銀の抵抗が消失することを初めて発見しました。右：マイスナー効果（画像出典：ハーバード大学ウェブサイト）

1911年、オランダの科学者ハイケ・カメルリング・オネスは、極低温環境では温度が4.2Kまで下がると水銀の抵抗率がゼロに近づくことを初めて発見し、超伝導現象の存在を確認しました。

1933 年、マイスナーとオクセンフェルトは、特定の温度と磁場条件下では、超伝導体が内部の磁束を完全に反発できることを発見しました。この現象は後にマイスナー効果として知られるようになりました。

その後数十年にわたって、理論家たちは超伝導の微視的理論を見つけようと奮闘した。 1935 年のロンドン理論、1950 年のギンツブルグ・ランダウ理論によって大きな進歩が遂げられました。しかし、超伝導の最初の実験的発見から 46 年後の 1957 年になって、バーディーン、クーパー、シュリーファーが超伝導の重要な微視的理論を提唱し、それが広く受け入れられて BCS 理論として知られるようになりました。

BCS理論の発見者3人は1972年にノーベル物理学賞を受賞しました。

簡単に言えば、金属片が電気を伝導するとき、粒子の衝突によりエネルギーが失われ、温度が高いほど失われるエネルギーが多くなり、抵抗が大きくなります。

金属中の粒子の運動

温度が一定のレベルまで下がると、粒子の熱運動は無視できるようになります。このとき、電子が通過する際に周囲の原子を引き寄せるとともに、後続の電子も引き寄せ、2つの電子が集まってクーパー対を形成します。

クーパー対の力は非常に弱いため、熱運動によって簡単に破壊されてしまいます。クーパー対が形成されると、もともと2つのフェルミオンであった電子はボソンの特性を持つようになり、電子は最低エネルギーレベルの同じ状態になります。このとき、電子は完全に損失なく通過することができ、これが超伝導の発生です。

クーパー対

もちろん、BCS 理論は低温の従来のタイプ I 超伝導体の説明にのみ適用可能であり、多くの非従来型超伝導体の原理はまだ不明です。

超伝導元素の臨界温度が記された周期表。

低温超伝導：ベテランの先駆者

低温超伝導体とは、一般に臨界温度が 30K 未満の材料を指し、主に液体ヘリウム (Tc >4.2 K) で冷却して超伝導状態に達します。このタイプの超伝導体も、BCS 理論によって説明できるカテゴリです。

水銀は最初に発見された超伝導体であり、典型的な低温超伝導物質です。超伝導臨界温度は約4.2Kで、絶対零度に近い極低温環境となります。このような低温では、水銀原子の熱振動が大幅に弱まり、電子がうまく対になってクーパー対を形成し、超伝導特性を発揮します。

水銀に加えて、ニオブチタン合金 (NbTi) やニオブスズ (Nb₃Sn) も一般的な低温超伝導材料です。優れた超伝導特性を活かし、磁気共鳴画像法（MRI）、粒子加速器、核融合装置など多くの分野で利用されています。

高温超伝導体：注目の新星

科学技術の継続的な進歩により、1980 年代に高温超伝導材料が注目を集めるようになりました。

1986 年、スイスの IBM で働いていたベドノルツとミュラーは、新しいタイプの超伝導材料 LaBaCuO (30K) を発見しました。翌年、液体窒素の温度障壁（77K）は、YBa2Cu3O7-x（90K）の発見によって破られました。

77 K は液体窒素の沸点であるため、77 K を超える温度で超伝導体から電気エネルギーを節約できる経済的可能性は非常に大きいです。液体ヘリウムを使用すると温度を 4K まで下げて超伝導材料を作ることができますが、1 リットルあたりのコストは約 5 ドルです。しかし、温度を 77K 以上に下げるだけであれば、液体窒素 1 リットルあたりのコストはわずか約 0.30 ドルです。

現在、高温超伝導材料には2種類あり、1つは酸化銅、もう1つは鉄ヒ素またはセレン化鉄です。簡単に言えば、一方は銅系超伝導体と呼ばれ、もう一方は鉄系超伝導体と呼ばれます。

2024年10月、我が国の科学研究チームは、いくつかの外国の研究チームと協力して、ニッケルベースの高温超伝導体の研究において重要な進歩を遂げました。これは、ニッケル系高温超伝導材料のさらなる最適化、設計、合成において重要な指導的役割を果たし、ニッケル系高温超伝導体の研究の進歩を促進するでしょう。

室温超伝導：SFの光

高温超伝導物質が次々と発見されるにつれ、室温超伝導物質が登場したら私たちの生活にどのような衝撃的な変化が起こるのか想像せずにはいられません。常温・常圧超伝導物質は現実世界ではまだ確認されていないものの、SF作品には頻繁に登場し、人々の想像力を刺激する源となっている。

科学理論の観点から言えば、室温超伝導が実現すれば、人類社会を覆す技術革命を引き起こすことになるだろう。

エネルギー分野では、超伝導送電により、従来の送電過程における抵抗損失が完全になくなり、ほぼロスのない電気エネルギーの伝送が実現し、極めて低コストで世界の隅々まで電気を届けられるようになり、真に無限のエネルギーの新時代が開かれます。

輸送分野では、磁気浮上技術は、高い冷凍コストや複雑な低温システムによって制限されなくなります。超伝導磁石の助けにより、自動車、電車、さらには飛行機も効率的かつ高速なサスペンション操作を実現できるようになり、都市の交通渋滞は過去のものになるかもしれません。

計算科学の分野では、超伝導材料をベースにした量子コンピュータがさらに強力になるでしょう。超伝導量子ビットの超高速計算速度と超強力な安定性により、既存のコンピュータでは解決が難しい複雑な問題も簡単に克服でき、人工知能、暗号化、医薬品研究開発など多くの分野に飛躍的な発展をもたらします。

残念ながら、これまでのところ、科学者は常圧下での真の室温超伝導をまだ達成していません。これまで発見された常温超伝導材料は、超伝導特性を発揮するためには極めて高い圧力条件下に置く必要があり、実用化にはまだまだ遠い。

例えば、2020年10月には米国のディアスチームが、267万気圧の圧力下で転移温度15度の超伝導を達成したと発表しました。しかし、実験条件が極端で再現が難しいことから、研究結果に疑問が投げかけられ、関連論文は撤回されました。

2023年3月、ディアス氏のチームは、約21℃、10キロバール（約1万気圧に相当）の条件下で超伝導を達成したと再度発表した。必要な圧力は以前より低くなっていますが、それでも通常の圧力よりはるかに高く、研究ではさらに検証が必要です。

さらに、2023年7月には韓国の科学研究チームがLK-99と呼ばれる物質を発見したと発表し、常温・常圧で超伝導特性を持つと主張している。しかし、世界中のいくつかの研究室によるこの物質に関する研究結果では、その超伝導性は確認されておらず、発見の信憑性に疑問が生じている。