超伝導

概要

超伝導（Superconductivity）は、物質を特定の温度（臨界温度、Tc）以下に冷却したとき、電気抵抗がゼロになる現象である。1911年、オランダの物理学者ヘイケ・カメルリング・オネスが液体ヘリウムで冷却した水銀において初めて観測し、ノーベル物理学賞（1913年）を受賞した。

通常の導体では電子が格子振動（フォノン）に散乱され、常に抵抗が生じる。超伝導状態ではこの散乱が消滅し、電流はエネルギーを失うことなく流れ続ける。回路に一度流した電流は、理論上永久に減衰しない。

超伝導体はマイスナー効果と呼ばれる現象も示す。外部磁場を完全に内部から排除する性質であり、これにより磁石の上に超伝導体が浮上する——「磁気浮上」として視覚化されることが多い特性である。

発見から理論へ——BCS理論の成立

オネスの発見から約半世紀、超伝導のミクロな機構は謎のままだった。1957年、ジョン・バーディーン、レオン・クーパー、ジョン・ロバート・シュリーファーの三人が量子力学的説明に成功する。BCS理論（三者の頭文字）である。

理論の核心は「クーパー対」の概念にある。通常、電子同士は同じ負電荷を持つため反発する。しかし低温下では、一方の電子が格子を歪めることで局所的な正電荷領域が生まれ、もう一方の電子を引き寄せる間接的な引力が働く。この引力によって電子が対を形成し、格子散乱を受けなくなる。

クーパー対はボソン的な性質を持ち、全ての対が同一の量子状態に凝縮する（ボース＝アインシュタイン凝縮の類似現象）。この巨視的な量子コヒーレンスが抵抗ゼロの根拠である。BCS理論の三者は1972年にノーベル物理学賞を受賞した。

高温超伝導と室温超伝導への道

BCS理論が予測する臨界温度の上限はおよそ30〜40Kとされていた。しかし1986年、IBMチューリッヒ研究所のゲオルク・ベドノルツとカール・アレクサンダー・ミュラーが銅酸化物（ペロブスカイト構造を持つセラミクス）で35Kの超伝導を発見し、物理学界に衝撃を与えた。二人は翌1987年にノーベル物理学賞を受賞——受賞までの期間がわずか1年という異例の速さだった。

この発見を皮切りに「高温超伝導フィーバー」が世界的に起き、1987年には液体窒素温度（77K）を超えるYBCO（イットリウム系銅酸化物）が相次いで報告された。液体窒素は液体ヘリウムより遥かに安価であり、実用コストが大幅に下がった。

高温超伝導のメカニズムはBCS理論では説明できず、現在も完全には解明されていない。2023年には常圧で室温超伝導が報告された論文（Dias et al.）が大きな注目を集めたが、再現性をめぐる論争の末に撤回された。室温・常圧での安定した超伝導体の実現は、現代物性物理学の最重要未解決問題の一つである。

原典: H. Kamerlingh Onnes, “The resistance of pure mercury at helium temperatures,” Leiden Comm. 120b, 1911
原典: J. Bardeen, L. N. Cooper, J. R. Schrieffer, “Theory of Superconductivity,” Physical Review 108, 1175–1204, 1957
研究: 桂重俊『超伝導入門』裳華房、2002
研究: 細野秀雄・前田京剛（編）『高温超伝導体の材料科学』丸善出版、2014

概要

発見から理論へ——BCS理論の成立

高温超伝導と室温超伝導への道

現代への示唆

1. インフラの非効率を根本から問い直す技術

2. 「理論の限界」が次のブレークスルーを生む

3. 実用化の鍵は「運用コスト」にある

関連する概念

参考