超伝導とは、特定のいわゆる超伝導材料で起こる現象です。電気抵抗が存在せず、材料内部の磁場が打ち消される（マイスナー効果）ことが特徴です。従来の超伝導は、絶対零度(-273.15 °C) に近い非常に低い温度で発生します。
この現象は 1911 年にオランダの物理学者カメルリング・オンネスの指導の下、物理学学生のジル・ホルストによって発見されました (後者は後にこの発見を流用しました)。彼は、水銀の電気抵抗率は、臨界温度 T cと呼ばれる特定の温度以下では測定できなくなることを示しました。従来の超伝導体では、原子と自由電子の間で複雑な相互作用が発生し、クーパー対と呼ばれる結合電子対が発生します。これらのペアはスピンが 0 のボソンのように動作し、単一の量子状態に「凝縮」されます。この状態の特徴は抵抗のない流れ（超流動）です。
総称して「非従来型超伝導体」と呼ばれる他の種類の材料もあり、その特性は従来の理論では説明できません。特に、1986 年に発見された銅酸化物の種類 (または「高臨界温度超伝導体」) は、従来の超伝導体よりもはるかに高い温度で超伝導特性を示します。ただし、物理学者が「高温」と呼ぶ温度は依然として非常に低い温度です (最高温度は 138 K、つまり -135°C)。これらの材料における超電導の微視的な起源を理解すれば、この限界はおそらく上昇し、おそらく室温に到達することさえあるでしょう。残念なことに、この主題はほぼ 20 年にわたって固体物理学の最も重要な主題と考えられてきましたが、現時点では満足のいく理論はありません。
工業的に到達しやすい液体窒素の温度 -196°C が、それ以下の温度として非常に低い温度に入る温度として一般に基準とされます。別の定義では、磁気相変化の概念が使用されます。
基本的な性質
超伝導体は、臨界温度以下に冷却すると、ゼロ抵抗と完全な反磁性という 2 つの特徴的な特性を示す材料です。超伝導の定義を可能にするこれらの共通の特性の存在は、それが実際の熱力学的相であることを示しています。超電導状態に遷移する際の超電導体の物理的特性の変化を研究すると、これが確認され、超電導遷移が真の相転移であることが証明されます。
ゼロ抵抗率
限られた電流を流す超電導体に電気抵抗がまったく存在しないことは、明らかに超電導体の最もよく知られた特性です。この現象に名前が付けられたのもこれです。
マイスナー効果
マイスナー効果は、1933 年にロバート・オクセンフェルトとともに発見したウォルター・マイスナーにちなんで名付けられました。外部磁場にさらされたサンプルが、その前の状態に関係なく、臨界温度以下に冷却されると磁場が放出されるという事実です。
マクスウェルの方程式によれば、抵抗がゼロの材料では、磁場は時間の経過とともに一定に保たれなければなりません。しかし、マイスナー効果の存在は、超伝導が無限の伝導度の存在に限定されないことを示しています。
磁場の存在下で超電導サンプルを臨界温度以下に冷却することにより、マイスナー効果を実験的に実証しました。これにより、サンプル内の磁場がゼロであることを示すことができますが、仮説上の完全導体の場合、磁場は印加磁場と等しくなるはずです。
(注:タイプ IIと呼ばれる特定の超電導体は、低い磁場値でのみマイスナー効果を示しますが、より高い値でも超電導体のままです。以下を参照)
理論
ギンツブルグ＝ランダウ理論
1950 年にギンツブルグとランダウによって開発された理論では、ランダウの二次相転移理論の一般的な枠組み内で超伝導を特徴付ける複素次数パラメータψ( r )が導入されています。このパラメータの物理的な意味は次のとおりです。
ここで、 f n0は通常のゼロ磁場状態の自由エネルギー密度、 Aはベクトル ポテンシャル、 B は磁気誘導の局所強度です。
第 2 項と第 3 項は|ψ|の 2 次展開です。図２において、３番目は質量ｍ *と電荷ｑ *の「超電導電荷キャリア」に関連する運動エネルギーのゲージ不変表現として見ることができ、４番目は単なる磁気エネルギー密度である。
超伝導状態では、磁場と勾配がない場合、前の式は次のようになります。
β は必ず正であることに注意してください。そうしないと自由エネルギーの大域最小値が存在せず、したがって平衡状態が存在しないからです。 α > 0の場合、最小値はψ = 0で発生します。つまり、材料は通常の状態にあります。したがって、興味深いのはα < 0の場合です。すると、平衡状態では、
完成する
渦と II 型超伝導体
BCS理論
この理論は、金属の電子のペア、つまりクーパーペアの結合に基づいています。これらは、不対電子を持ち、通常の金属よりもエネルギーが低い、独特のコヒーレントな状態を形成します。
問題は、クーロン反発を考慮してこのペアリングを説明することです。金属では、電子は陽イオンで構成される結晶格子と相互作用します。これらは電子を引きつけてわずかに動きます（正イオンは大きな慣性を持っています）。物理学者は、これらの自然な原子振動にフォノンという名前を付けました。電子とフォノン間のこの相互作用は、抵抗率と超伝導の起源です。電子の非常に速い通過 (10 6 m/s) に引き寄せられて、イオンが移動し、局所的な電気的に正のゾーンを作成します。慣性を考慮すると、電子が通過した後でもこのゾーンは存続し、フォノンを介して前の電子とペアになる別の電子を引き付けることができます。そしてこれはクーロンビアの反発にもかかわらずです。熱による撹拌は最終的にこの脆弱なバランスを破壊することになるため、温度による悪影響が生じます。
クーパーペアの特徴は、その固有磁気モーメント(「スピン」とも呼ばれます) がゼロであることです。実際、2 つの電子対は同じスピン (1/2、フェルミオンのスピン特性) を持ちますが、符号が反対です。これは、電子ペアのエネルギーが 2 つの電子のエネルギーの合計よりも小さくなる条件です。次に、それらはボソン(ボーズ・アインシュタイン統計に従う整数スピン粒子) のように動作するセットを形成します。ペアはわずかな抵抗に遭遇することなく動きます。したがって、超伝導です。
超電導状態と通常状態のエネルギー差をエネルギーギャップといいます。これは、クーパー対を破壊して超伝導状態から通常状態に移行するのに必要なエネルギーです。温度が臨界温度に近づくと、このエネルギーはゼロに近づく傾向があります。
電子とフォノンの相互作用は、電子の対形成、ひいては超伝導にとって重要な役割を果たします。
この理論は、高い臨界温度での超伝導材料が発見される前に作成されました。そこで疑問が生じます: 高 T c超伝導体は BCS 理論に矛盾しますか?この点については理論家の間で意見が異なります。電子間の結合はもはや格子（したがってフォノン）によるものではなく、他の相互作用（電子、磁気、その両方など）によるものであるという意見の人もいます。まったく新しいモデルを提供する企業もあります。議題はまだ未解決のままです…
超伝導体の種類
従来の超電導体
従来の超伝導体は、BCS 理論によってよく説明されています。
型破りな超電導体
非従来型超電導体とは、超電導特性はあるものの、BCS 理論またはその拡張に準拠していない材料です。
最初の型破りな超伝導体は、1985 年にヨハネス・ゲオルグ・ベドノルツとカール・アレクサンダー・ミュラーによって発見されました。それはバリウム、ランタン、銅の混合酸化物で構成されるセラミックで、臨界温度は約 35K (-238°) です。この温度は、当時知られていた最高臨界温度 (23K) をはるかに上回っていました。この新しい材料群は高温超伝導体と呼ばれました。ベドノルツとミュラーは、その発見により 1987 年にノーベル物理学賞を受賞しました。
それ以来、他の多くの高温超伝導体が合成されてきました。 1987 年にはすでに、窒素の沸点である77K 以上の超伝導が達成されました。液体窒素は、2000 年まで使用しなければならなかった液体ヘリウムよりもはるかに安価であるため、技術的応用にとって非常に重要です。例 YBa 2 Cu 3 O 7 、Tc = 95 K。
記録的な臨界温度は常圧で約 133K (-140°) であり、高圧ではわずかに高い温度に達する可能性があります。それにもかかわらず、銅酸化物ベースの材料が室温で超伝導を達成できる可能性は低いと考えられています。
しかし、近年、他の型破りな超伝導体が発見されています。これらのうち、いくつかは高温では超伝導体ではありませんが、他の基準からは型破りです（たとえば、クーパー対の形成を駆動する力の起源は、BCS 理論によって仮定されているものとは異なる可能性があります）。しかし、銅酸化物に基づいていない、異常に高い臨界温度を持つ他のものも発見されています。後者のいくつかは、極端な従来の超伝導体の例である可能性があります (これは二ホウ化マグネシウム MgB 2 、Tc=39K の場合ではないかと考えられます)。他のものはあまり従来の特徴を持っていません。
エキゾチックな超伝導体
歴史的
超伝導現象は、1911 年にオランダの物理学者カメルリング・オンネス (後にこの発見を流用した) の指導の下、物理学学生のジル・ホルストによって、固体における水銀の導電率に関する実験中に発見されました。彼は、この金属の抵抗が 4.15 K で消滅することに気づきました。この発見により、彼は 1913 年にノーベル物理学賞を受賞しました。他の多くの元素を使った実験では、一部の元素は超伝導能力を持っているが、他の元素は持たないことが示されました。
1913 年の 7 K での鉛と 1941 年の 16 K での窒化ニオブを挙げています。
1933 年、マイスナーとオクセンフェルトは、超伝導体が磁場を反発する、マイスナー効果として知られる現象を発見しました。 1935 年、フリッツとハインツのロンドン兄弟は、マイスナー効果が超伝導電流によって輸送される自由エネルギーの最小化の結果であることを示しました。
1950 年に、ギンツブルク-ランダウと呼ばれる現象学理論がランダウとギンツブルクによって開発されました。この理論は、シュレーディンガー方程式を使用して超伝導体の巨視的特性を説明することに成功しました。特に、アブリコソフは、この理論により、超伝導体には 2 つのカテゴリー (タイプ I またはタイプ II と呼ばれる) が存在すると予測できることを示しました。アブリコソフとギンズブルグはこの研究により2003年にノーベル賞を受賞した（ランダウは1968年に死去）。
臨界温度が同位体の質量に依存することに私たちが気づいたのは 1950 年のことでした。
超伝導の完全な理論は 1957 年にバーディーン、クーパー、シュリーファーによって提案されました。頭文字をとってBCS 理論という名前で知られ、電子対 (クーパー対) の形成と、フォノンと相互作用するボソンの形成によって超伝導を説明します。この研究により、著者らは 1972 年にノーベル物理学賞を受賞しました。
1959 年、ゴルコフは、超電導出現の臨界温度付近ではBCS 理論がギンツブルク-ランダウ理論に帰着することを示しました。
1962 年に、最初の超電導線 (ニオブ – チタン合金) がウェスチングハウスによって販売されました。同年、ジョセフソンは、2 つの超電導体を隔てる薄い絶縁体に電流が流れる可能性があると理論的に予測しました。ジョセフソン効果という名前が付けられたこの現象は、SQUID で使用されます。これらのデバイスは、 h/eの非常に正確な測定を行うために使用され、量子ホール効果と組み合わせて、プランク定数h を測定します。ジョセフソンは 1973 年にノーベル賞を受賞しました。
1986 年、ベドノルツとミュラーはランタンベースの銅ペロブスカイト構造材料に 35 K の温度での超伝導を発見しました (1987 年ノーベル物理学賞)。
ランタンをイットリウムに置き換えることにより、つまり、YBa 2 Cu 3 O 7 を生成することにより、臨界温度は 92 K に上昇し、液体窒素の温度 77 K を超えました。液体窒素は工業的に安価に生産されるため、これは非常に重要です。現地で生産することも可能です。その後、多くの超伝導銅酸化物が生成されましたが、この超伝導のメカニズムについてはまだ解明されていません。残念なことに、これらの材料はセラミックであり、簡単に加工することができず、さらに、高磁場では超伝導性を失いやすいため、応用が遅れています。磁場に対する感受性を低下させ、臨界温度を上昇させる研究が続けられています。液体窒素の温度に達すると、心理的および経済的限界はドライアイス(-80°C) になります。
2007 年 5 月 31 日、フランス系カナダ人の物理学者チームは、 CNRS のプレスリリース[ 2 ]によると、これらの物質の理解に大きな進歩をもたらす研究結果をネイチャー誌に発表しました。
アプリケーション
電磁石
超伝導電磁石の作成は、確かに超伝導の最も一般的な応用例を構成します。それらは次の地域にあります。
- 超電導ソレノイドによって数テスラの磁場が生成される医療画像処理。また、非常に均一な磁場を生成することも可能になり、高品質の画像を取得できるようになります。
- 粒子加速器: CERN の LHC (大型ハドロン衝突型加速器)プロジェクト: 1,700 トンの超伝導材料 ( 1 )。
- 磁気浮上、電磁浮上列車 (日本のリニアモーターカー、電磁浮上を参照) および電気機械フライホイール アキュムレータを含む。
エネルギー貯蔵
SMES: 超電導磁石エネルギー貯蔵
超電導コイルは可逆 AC-DC コンバータを介してネットワークに接続されています。コイルは、エネルギーを 1/2 LI 2の形式で蓄積する整流器によって電力を供給されます。必要に応じて（線路故障）、超電導コイルに蓄えられたエネルギーはインバータを介して設備に戻されます。
超伝導体の浮遊特性は、エネルギーの貯蔵にも利用できます。これは、回転運動エネルギー蓄積装置 ( フライホイール) の場合に当てはまります。これらの用途では、磁気ホイールが超電導体の上に浮遊して配置されます。ホイールはモーター(負荷段階) によって回転します (摩擦をできるだけ減らすために真空中でが理想的です)。ホイールに「負荷」がかかると、摩擦がほとんどないため、損失がほとんどなく、回転運動エネルギーの形でエネルギーが保持されます。車輪にブレーキをかけることでエネルギーを回収できます。
したがって、極低温を維持するにはエネルギーを大量に消費しますが、SMES とフライホイールは従来のバッテリーに代わる可能性のある 2 つの技術ソリューションです。
電磁閉じ込め
制御された熱核融合を達成することを目的として、トカマクまたはステラレーターは、プラズマがかなりの圧力と温度の下で内部に閉じ込められるトロイダル状の筐体です ( 1 )。 ITER プロジェクトも参照してください。
注意事項
- ↑ Nicolas Doiron-Leyraud、Cyril Proust、David LeBoeuf、Julien Levallois、Jean-Baptiste Bonnemaison、Ruixing Liang、DA Bonn、WN Hardy、Louis Taillefer、「ドーピングが不十分な高温超伝導体における量子振動とフェルミ面」、 Nature 、 2007 年 5 月 31 日、第 447 巻、565 ～ 568 ページ。
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