ネイチャー誌に掲載された室温超伝導の論文が物理学界に旋風を巻き起こした！超伝導応用の春は本当に来るのか？

民間市場に適した超伝導材料を見つけるまでの道のりは長く困難なものである。ほとんど追加エネルギーを消費せずに大量の電気エネルギーを運ぶことができる超伝導発電機や超伝導直流送電線から、より広い信号範囲とより強力な耐干渉性を備えた信号通信基地局まで...一歩一歩の探求により、超伝導技術は来春を待っています。

記者：王雪英、写真・文責：季静静

インタビュー専門家:

李涛（中国人民大学物理学科教授）

3月8日、アメリカ物理学会年次総会で、ロチェスター大学のランガ・ディアス教授は、自身のチームが1GPa（約1万気圧）の圧力下でルテチウム・窒素・水素系材料において294K（ケルビン）、つまり零下約21℃の常温超伝導を達成したと発表した。当該論文は3月9日の早朝にネイチャー誌に正式に掲載された。

このニュースはまず世界中の物理学者たちを不安にさせた。当日、会議会場から送られてきた写真や報告によると、ニュースが発表されるやいなや、会場の外に集まっていた大勢の物理学界の重鎮たちはたちまち動揺し、警備員は事前にこれ以上の人々の入場を阻止しなければならなかったという。

▲ラスベガスで開催されたアメリカ物理学会（インターネットからの写真）

第二に、このニュースはA株市場にも警戒感を与えた。一部の証券会社は８日深夜に専門家会議を開き、投資家らは一夜かけて「常温超伝導」について検討した。

専門分野の学術用語である「#室温超伝導」は、主要なソーシャル プラットフォームを席巻しただけでなく、普段はランニングと健康のことしか気にしない友人たちからも「室温超伝導とはいったい何なのでしょう? 私たちとどう関係があるのですか?」という質問が寄せられています。

超伝導体とは何ですか?

「室温超伝導とは何か」という質問に答える前に、まず「超伝導体」の概念について話す必要があります。

超伝導とは、ある温度以下では物質の抵抗がゼロになる現象です。超伝導体とは、その名の通り、非常に優れた電気伝導性を持つ物体です。

ご存知のとおり、材料は導電特性の違いにより、導体、半導体、絶縁体に大まかに分類できます。鉄やアルミニウムなどの金属材料は電流抵抗が低い導体です。その中には自由に動く荷電粒子が多数存在します。これらの電子は外部の電界の作用下で「自由に移動」し、明らかな電流を形成できます。これが導体が電気を容易に伝導できる理由です。逆に、ゴムやプラスチックなどの絶縁体は抵抗が非常に高く、荷電粒子が原子の周りに「閉じ込められて」いて「自由に動く」ことができないため、電気を通しにくくなります。シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素などの半導体は、最初の 2 つの中間の特性を持つ材料です。

ジュールの法則によれば、導体の導電性がどれほど優れていても、抵抗によってジュール熱が発生し、追加のエネルギー消費を引き起こします。理論的には、エネルギー損失なしに電流を伝送するには抵抗がゼロでなければなりませんが、超伝導体はまさに理想的な材料です。

ある温度では抵抗が0になり、電流を伝送する際の損失も0になります。熱が発生しないだけでなく、電線の両端に電圧をかける必要もありません。

ゼロ抵抗とゼロ損失に加えて、超伝導体の完全な反磁性特性も魅力的です。簡単に言えば、超伝導体の真下に磁石を置くと、磁石が磁場を生成すると、超伝導体は磁場の絶対反発力により反対の磁場を生成し、磁石を反発します。この反発力と超伝導体の重力がバランスできれば、超伝導体を吊り下げることができます。

▲完全な反磁性により空中に浮遊する超伝導体（出典：Quanta）

超伝導体の特性を利用することで、日本のJR線のMLXシリーズ低温超伝導磁気浮上式鉄道試験線のように、重くて巨大な車両を「持ち上げる」ことができます。また、天文学や地理学の研究でよく使われる磁気浮上式重力計のように、長期間にわたる重力の変化を監視したり、潮汐を観測したり、地震を検出したりするためにも使用できます。超伝導体の「ジョセフソン効果」とは、2つの超伝導体の間に絶縁層を挟むと、この絶縁層の厚さが原子ほどの薄さになると、電子が絶縁層を直接通過でき、トンネル電流現象が発生することを意味します。この特性を利用することで、より高速で消費電力の少ない超伝導コンピューターを作ることができるだけでなく、より感度が高くノイズの少ない超伝導量子干渉デバイスを作ることもできます。

つまり、もし本当に大規模に商業的に使用できる超伝導材料が存在するとしたら、それは多くの分野に影響を与える大きな変化となるでしょう。

温度が上昇

しかし、超伝導体が理想的な材料であると考えられる理由は、それを見つけるのが本当に難しいからです。現在まで、超伝導体の応用は主に粒子加速器や超伝導量子干渉装置などの特定の実験シナリオに限定されており、大規模な商業利用を制限する主な理由は温度です。

物理学では、超伝導物質が超伝導状態に入る温度を超伝導臨界温度と呼びます。 1911 年、オランダのライデン大学の科学者たちは、金属水銀の抵抗が 4.2K 以下で突然消失することを発見しました。これは人類が発見した最初の超伝導現象でした。

それから100年以上経ち、人類は合金、金属間化合物、さらには有機化合物など、さまざまな種類の超伝導材料を発見してきました。しかし、科学者たちは大喜びする一方で、これらの材料の超伝導特性を維持するために必要な臨界温度は一般的に非常に厳しく、基本的に 50K (約 -220°C) 以下であり、液体窒素または液体ヘリウムなしでは達成することがほぼ不可能であることを発見しました。このため、超伝導の臨界温度を上げるには高圧が主な方法となります。

想像してみてください。もし材料が氷点下数百度の温度、または 100GPa を超える超高圧下でしか適切に機能しないのであれば、この技術を市場で大規模に適用できる可能性はどれほどあるでしょうか。地球の中心の圧力はわずか 370GPa だということを思い出してください。極度の冷却条件や恐ろしい高圧手段に頼る以外に、室温（300K、約27℃）で超伝導特性を維持できる材料はないのでしょうか？

室温超伝導体を発見するまでの道のりは間違いなく長い。

長い間、研究者たちは超伝導転移温度は 30K を超えることはできないと信じていました。 1986 年、銅酸化物高温超伝導体の発見により、人類による高温超伝導材料の探究への道が開かれました。銅酸化物高温超伝導体は、転移温度が液体窒素の沸点を超える初めての超伝導体であるだけでなく（液体窒素の沸点は77K、約-196℃です。液体窒素の沸点より高い転移温度は、超伝導体の商業的応用にとって非常に都合の良い条件を提供します）、銅酸化物高温超伝導体の超伝導メカニズムは、従来の電子-フォノンBCS理論の記述範囲を超えていると一般に考えられており、より優れた性能の超伝導体を探索するための広い想像空間を提供します。

2015年、ドイツのマックス・プランク化学研究所は、硫化水素化合物が150GPaの条件下で約-70℃の温度で超伝導を示すことを発見しました。 4年後、研究チームはさらに、高圧条件下でランタン十水素が超伝導状態に入るには-23°Cしか必要ないことを発見しました...

多くの科学者のたゆまぬ努力のおかげで、新素材の超伝導臨界温度は絶えず更新されていることは間違いありませんが、それでも、実用的な応用シナリオが欠如している超高圧の前提から抜け出すことはできません。

一時期、室温超伝導に関する人類の研究は行き詰まりに陥ったように思われた。

▲2020年の研究では、ロチェスター大学は、2つの「ポイントツーポイント」ダイヤモンドを主成分とする特殊なダイヤモンドアンビルを使用しました。 （写真提供：ロチェスター大学）

2020年、ロチェスター大学のランガ・ディアス氏のチームは、炭素、硫黄、水素の3つの元素を混合し、レーザー照射とダイヤモンドアンビルを使用して、室温約15℃（287.7K）で材料を超伝導状態にすることに成功したと発表した。この実験には依然として高圧条件が必要であり、ダイヤモンドアンビルの圧縮により267GPaの高圧が得られるが、研究の臨界温度が室温に近づいたことは依然として世界に衝撃を与えた。国際的に権威のある科学誌「ネイチャー」は、これを記念して表紙を飾る号を出版しました...一夜にして、室温超伝導を実現するという人類の素晴らしい願いが手の届くところまで来たようです。

しかし、人々の興奮は長くは続かず、業界からは疑念も出始めた。多くの学術指導者らはデータに疑問を呈した。「これまでの理論によれば、近年の実験で超伝導臨界温度は室温に非常に近づき、室温よりはるかに高くなったが、広く注目されたり公式に発表されたりしていない。」

一部の実験物理学者は、ランガ・ディアス氏の「論文のデータは美しすぎるが、超伝導のゼロ抵抗への遷移は非常に急峻で、関連する結果には一連の問題がある」と述べた。理論物理学者の中には、「彼の研究のデータ結果は基礎物理学に反している」とさえ率直に述べた者もいた。

最終的に、大きな論争の中、ランガ・ディアス氏を含む9人の著者からの強い反対にもかかわらず、ネイチャー誌は2022年9月に論文を撤回することを決定した。

室温および大気圧での超伝導材料の実現まで、どれくらい時間がかかるのでしょうか?

ランガ・ディアス氏のチームの研究が認定されれば、室温超伝導体の研究における画期的な出来事となるだろう。 1GPaという気圧は大気圧の1万倍に相当し、依然として非常に高いが、過去に室温超伝導を実現するために使用された気圧と比べると大幅に低減されている。

しかし、前回の「撤回騒動」の影響を受け、同誌は研究結果の「より厳格な審査」を実施すると述べた。同時に、ディアスの論文には多くの実験データとビデオが掲載されました。これらの実験条件を再現するのは難しくなく、「結果はすぐにわかるだろう」。

中国科学院物理研究所の研究員である孫立玲氏はメディアのインタビューで、この問題がさらに多くの他の実験研究グループによって検証されることを期待しているが、研究結果は精査される必要があると語った。 「ディアス氏の報告書に示されたサンプル写真の色が青であることは注目に値する。これは、私たちが普段目にする超伝導体の黒や茶色とはまったく異なる。もしその色がサンプルの本当の色であれば、将来他の研究グループがその超伝導性を実験的に確認できたとしても、この超伝導体は私たちが以前知っていた超伝導体ではないはずだ」と彼女は語った。

▲ディアス氏の最新論文に掲載された実験ビデオのスクリーンショット。サンプルは常圧下で青色になっている。

中国人民大学物理学科の李涛教授は、これについてより肯定的な見解を示した。 「私個人としては、もし確認されれば、この発見は大きな意義を持つだろうと思う。」李涛氏は記者団に対し、このシステムの超伝導メカニズムは依然として伝統的な電子-フォノンBCSメカニズムである可能性があるが、この発見は間違いなく、この伝統的な超伝導理論の適用範囲の限界がどこにあるのかを考えるきっかけとなり、特にいわゆる「マクミラン限界」を突破する超伝導体の探索に重要なインスピレーションを与えるだろうと語った（物理学者マクミランはかつて、電子-フォノンBCS理論から、超伝導体の臨界温度には上限があると推論した。現在の常圧下での電子-フォノンメカニズム超伝導体の臨界温度記録は、MgB2で達成された39K、約-234℃であると一般に考えられている）。同氏は「超伝導体の臨界温度は超伝導体の応用を制限する唯一の要因ではないが、この発見が確認されれば、少なくとも常圧条件下で臨界温度を上げる条件を作り出す方法を学ぶことができる」と述べた。

中国科学院物理研究所の研究員である羅慧謙氏は、現在の高圧合成測定技術に基づくと、サンプル収量が非常に低く、常圧下では安定しない可能性があるため、室温超伝導が大規模に使用される可能性は低いと見ている。しかし、将来的に高圧をかけずに超伝導材料を合成できるようになれば、室温まで達しなくても室温に近い温度でも幅広い用途に使えるようになるでしょう。

実際、時折新たな発見があるにもかかわらず、全体的に見ると、世界の超伝導材料研究は過去 10 年間、恥ずかしいほど停滞した時期を迎えています。その理由は、「商業化」が克服するのが最も難しい障害である可能性があるからです。つまり、コストと効率性を重視し、生産条件が制限されている商業市場に、研究室での新しい発見を実際にどのように適用するかということです。この質問に答えるのは難しそうです。

「研究室では徐々に臨界温度の高い新素材が発見されているが、価格や性能などの問題から、これらの新素材は商業市場に参入できず、実用化の見込みがない」と、匿名を条件に語った業界関係者は述べた。

現在、超伝導技術は一般の人々にとってまだ非常に神秘的であり、人々の間で「誤解」を引き起こすことさえよくあります。超伝導技術といえば、人々は常に磁気浮上式鉄道を思い浮かべますが、実際には、ドイツや中国の上海の磁気浮上式鉄道のように、現実のほとんどの磁気浮上式鉄道は従来の導体を使用しています。これらの列車は超伝導技術とはほとんど関係がありません。一方、一般の人々に最も近い超伝導技術は、病院で使用されている磁気共鳴画像法（MRI）、特に1.5Tを超えるMRIです。

CT イメージングなどの技術と比較すると、MRI は放射線がないだけでなく、特に脳や脊髄などのさまざまな軟部組織や中枢神経系の部分のコントラスト画像において、より豊富な内容とより鮮明な効果を持つコントラスト画像を医師に提供できます。現在、9.4Tの超高磁場MRIは、理論的には糖尿病や心臓病の検査に役立つだけでなく、アルツハイマー病の早期発見にも役立つ可能性があり、「治療は難しいが予防はできる」難治性の病気を人間が解決するためのより優れた技術的サポートを提供します。

民間市場に適した超伝導材料を見つけるのは簡単ではありません。道のりは長く困難ではありますが、人類は超伝導材料の探求を決してやめませんでした。ほとんど追加エネルギーを消費せずに大量の電気エネルギーを運ぶことができる超伝導発電機や超伝導直流送電線から、より広い信号範囲とより強力な耐干渉性を備えた信号通信基地局まで...一歩一歩の探求により、超伝導技術は来春を待っています。

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制作：北京科学技術ニュース |北京科学技術メディア

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