超伝導とはいったい何でしょうか？私を信じてください。あなたは間違いなくこれを理解するでしょう。

超伝導は物理学界の「スター」とも言えるもので、新たな開発が行われるたびに大きな波が押し寄せます。昨年7月、韓国の研究チームは世界初の常温・常圧超伝導体の合成に成功したと主張した。この大ニュースは瞬く間に世界中の注目を集めた。物理学界で高く評価されているこのトップ人物は、どんな秘密を隠しているのでしょうか?

超伝導とは何ですか?

日常的な物質は、その導電性に応じて、絶縁体、半導体、導体に分類できます。特別な種類の導体があり、それが「超伝導状態」にあるとき、それを「超伝導体」と呼びます。 「超伝導状態」とは、特定の低温条件下で特定の物質の電気抵抗がゼロに低下し、同時に完全な反磁性を示す状態を指します。

超伝導体画像提供: ロシェル大学

この現象は人類が発見した最初のマクロ的な量子効果です。それは物理学の分野においても、神秘と美しさに満ちたユニークな風景です。

超伝導はどのようにして発見されたのでしょうか?

超伝導は、1911 年にオランダの物理学者ハイケ・カメルリング・オンネスによって初めて発見されました。実験室では極めて純粋な水銀を調製し、それを絶対零度（-273.15℃）近くまで冷却することに成功しました。彼が水銀の抵抗を測定したところ、温度が4.2K（-268.95℃）以下に下がると水銀の抵抗が突然消え、ほぼ完全な導電性を示すことに驚きました。

これは革命的な発見でした。彼はこの現象を「超伝導」と名付け、1913 年にノーベル物理学賞を受賞しました。

オランダの物理学者ヘイケ・カメリング・オンネス

1986 年 1 月、スイスの物理学者カール・アレクサンダー・ミュラーとドイツの共同研究者ヨハネス・ゲオルク・ベドノルツは、臨界温度が 30K (-243.15℃) にも達する銅酸化物超伝導体を発見したと発表しました。この高温超伝導の発見により、超伝導は極低温でしか存在しないという人々の認識が打ち破られ、1987年のノーベル物理学賞が授与されました。それ以来、科学者たちは臨界温度が液体窒素の温度域よりも高いさまざまな高温超伝導体を発見してきました。

スイスの物理学者カール・アレクサンダー・ミュラー

ドイツの物理学者ヨハネス・ゲオルク・ベドノルツ

画像出典: インターネット

超伝導はなぜ起こるのでしょうか?

超伝導の性質をより深く理解するためには、まず、通常の導体がなぜ抵抗を生み出すのかを理解する必要があります。

パート0 1

一般的な導体の抵抗

晴れた日、蝶が楽しそうに羽を羽ばたかせ、咲き誇るひまわりに向かって飛んでいく様子を想像してみてください。神秘的なミクロの世界では、導体内を自由に行き来する電子は蝶のようなものです。電界に引き寄せられると、特定の方向、つまり電源の正極の方向に移動します。

いたずら好きな蝶（自由電子）は自由に飛ぶ能力を持っていますが、美しいひまわり（電源の正極）までの旅の途中で、不快なクモ（中心原子）による障害に常に遭遇します。これらのクモ（中心原子）の束縛から逃れるために、蝶は激しく戦うでしょう。

同様に、導体内の自由電子の周りに分布する中心原子はクモのように機能します。自由電子が特定の方向に移動しようとすると、必然的に周囲の中心原子と衝突し、この衝突によって自由電子の移動が妨げられます。

数々の障害にも関わらず、蝶（自由電子）はひまわり（正の動力源）を求める気持ちを決して揺るがさず、羽ばたき続けて飛び続けます。同様に、自由電子は常に電源の正極に向かって移動する決意を維持し、動き続けます。

最後に、蝶（自由電子）は、その中心にある咲いているひまわり（電源のプラス極）に向かってしっかりと飛んでいきました。このプロセスは、自由電子が中心原子の制約から解放され、最終目的地である電源の正極に正常に到達するのとまったく同じです。

自由電子が移動して中心原子と衝突する間に、エネルギーが自由電子から中心原子に伝達され、中心原子はそのエネルギーを熱の形で周囲の環境に放出します。マクロ的な観点から見ると、電流が従来の導体を流れるときに抵抗を受けるのはこのためです。

パート0 2

超伝導体では抵抗はゼロ

前述したように、超伝導体には 2 つの重要な特性があります。その 1 つはゼロ抵抗状態です。では、従来の導体の抵抗状態と比較して、超伝導体のゼロ抵抗状態はどのように発生するのでしょうか?

周囲の温度が突然-196℃まで下がると、もともと軽やかに自由に舞っていた蝶（自由電子）が、これまでにない困難を感じる様子を想像してみてください。この厳しい低温環境で生き残るために、彼らはもはや通常のように単独で飛ぶのではなく、ペアで抱き合う（クーパー対）という新しい生存戦略を選択します。

抱き合う蝶（クーパー対）は、まるで小さな生命のコミュニティを形成するかのように、ぴったりと寄り添っています。このようにして、彼らは協力して外の寒さに耐え、お互いを暖かく保ち、困難を一緒に乗り越えます。驚くべきことに、「バタフライ cp」は途中にあるすべての障害物を完璧に回避し、最終的に遠くのひまわり（電源のプラス極）に到達しました。

超伝導体のミクロの世界では、自由電子もこのような低温環境で同様の挙動を示します。蝶が抱き合うように、それらはペアになってクーパー対を形成し、電源のプラス極に向かって一緒に移動します。こうして、超伝導体内の電流の流れが妨げられることなく、つまり抵抗ゼロの状態が実現されます。

超伝導体では、クーパー対が形成されて動き始めると、クーパー対と中心原子の間でエネルギーの交換は行われません。つまり、エネルギーの移動と放出は行われません。このマクロレベルでの特別な状態は、超伝導体がゼロ抵抗を示すことができる根本的な理由です。

パート0 3

超伝導体の完全な反磁性

超伝導体のもう一つの注目すべき特性は完全な反磁性であり、これは「マイスナー効果」と呼ばれる現象です。

具体的には、室温条件下では、磁力線は超伝導体を容易に貫通することができます。しかし、超伝導体を超伝導相転移温度以下に冷却すると、内部に磁場をほぼ完全に打ち消す魔法の力があり、磁力線は超伝導体を貫通できなくなるようです。この磁場の反発力は非常に強いため、超伝導体を磁石の上に吊り下げることができ、その独特の反磁性を実証します。

「マイスナー効果」の原理は、超伝導状態になり、外部磁場の影響を受けると、超伝導体の表面に電流が発生するというものです。これらの電流によって生成される磁場は外部磁場の影響を打ち消し、超伝導体内の磁気誘導強度をほぼゼロにまで低減する特殊な平衡状態を形成します。この現象は超伝導体の独特な物理的特性の現れです。

超伝導の用途は何ですか?

超伝導技術は幅広い分野に応用されており、その大きな可能性と価値を実証しています。

医療画像分野

超伝導磁石は重要な役割を果たします。強力で安定した磁場を生成でき、この特性は磁気共鳴画像法 (MRI) などの医療診断技術において特に重要です。超伝導磁石の応用により、画像の解像度と信号対雑音比が大幅に向上し、医師に病気の診断のためのより正確で信頼性の高い根拠を提供できるようになります。

超伝導MRIシステム

電力システム分野

超伝導電力技術は、その無損失特性により大きな可能性を示しています。超伝導変圧器、超伝導エネルギー貯蔵、超伝導電流制限器、超伝導ケーブルを電力システムに適用すると、従来の電力システムの運用効率と安定性が大幅に向上し、エネルギーの浪費と環境汚染を効果的に削減できます。

さらに、超電導ケーブルは風力発電や太陽光発電施設などの電源と負荷を接続するためにも使用でき、再生可能エネルギーの大規模導入を強力にサポートします。

世界初の35kVキロメートル級超伝導ケーブルが上海で稼働開始

大規模科学施設の建設

超伝導磁石は欠かせない役割を果たしています。大型粒子加速器、人工太陽ともいえる完全超伝導トカマク型核融合装置、シンクロトロン放射源など最先端の装置の製造に活用できます。これらの大型科学施設の運用と利用を通じて、科学者は物質の微細構造と基本法則を深く探究できると同時に、新素材や新エネルギーの研究開発を強力にサポートすることができます。

大型科学装置「人工太陽」全超伝導トカマク（EAST）

量子コンピューティング分野

量子ビットと量子コンピュータの開発では、量子コンピュータの基本的な構成要素である量子ビット（キュービット）を製造するために超伝導が使用されています。量子コンピュータは量子力学の原理を利用して、従来のコンピュータをはるかに超える計算速度と機能を実現します。暗号化、最適化問題、人工知能など、従来の方法では解決が難しい一連の難しい問題を解決することができます。

現在、わが国の第三世代独立型超伝導量子コンピュータ「本源悟空」が成功裏に実現され、17万8000件以上の計算タスクを完了しました。

超伝導量子コンピューティングクラウドプラットフォーム

終わり

著者：

王銀順、北京冷凍学会理事長、華北電力大学電気電子工学部教授

何燁、石燕塵、北京冷凍学会会員、華北電力大学電気電子工学部博士課程学生

編集者: 董暁賢