ピン止め効果

ピン止め効果について

ピン止め効果（ピンどめこうか、英: flux pinning）は、第二種超伝導体において、磁束が内部の不純物やひずみに捕らえられることで固定化される現象です。この効果は、超伝導体における電流の流れに伴う特性を理解する上で非常に重要です。特に、外部磁場が臨界磁場Hc1とHc2の間にある場合にこの現象が発生します。

ピン止め効果のメカニズム

第一種超伝導体は、外部の磁束を完全に排除する特性がありますが、第二種超伝導体では量子化された磁束が内部に侵入することができます。この内部の磁束が、非常に微細な不純物やひずみなどの要素によって固定されるのがピン止め効果です。たとえば、第二種超伝導体に電流を流した場合、ローレンツ力が磁束に作用し、これが磁束の移動を引き起こします。すると、通常は誘導起電力が発生し、結果として電気抵抗が生じるのです。

ピン止め効果を利用すると、内部の磁束を欠陥に捕らえることで、電気抵抗の発生を防ぐことができます。たとえば、バルクの超伝導体に重粒子線を照射したり、意図的に不純物を追加することで、こうした欠陥を作成し、そこで磁束が固定されるのです。

超伝導薄膜における応用

超伝導薄膜の場合、リソグラフィやエッチングの技術を用いて、（擬）三角格子状の穴（Anti-dots）を数多く開ける手法が取られ、それによって損失を回避することができます。この方法でも、磁束を効果的に固定し、超伝導の特性を保つことが可能です。

磁場と超伝導状態の形成

第二種超伝導体に転移温度を超えた常伝導体の状態で磁場をかけると、外部から侵入した磁場が内部に影響を及ぼします。この状態で超伝導転移を行うと、ひずみや不純物の存在により磁束が固定化されるのです。また、超伝導体に外の磁石を近づけることによっても、磁束が侵入して固定化されます。

超伝導体内部ではマイスナー効果によって磁場が排除され、固定された磁束はピン止め効果によってその位置が保持されます。このとき、磁束量子間での相互作用により、規則正しい配列（アブリコソフ格子）が形成されます。外力が加えられない限り、こうした固定された磁束は超伝導体と磁石との間に安定した距離を保つことができます。

超伝導磁気浮上の誤解

超伝導体の上に磁石が浮いたり、逆に磁石の上に超伝導体が浮いたりする現象（超伝導磁気浮上）は、しばしばマイスナー効果のみによるものと誤解されることがあります。しかし、実際にはマイスナー効果による磁束排除とピン止め効果による支持力が組み合わさって、この浮上が成立するのです。単独の効果では不安定となる場合もあり、相互作用が重要です。

まとめ

ピン止め効果は、第二種超伝導体において磁束を固定し、電気抵抗の発生を防ぐ重要な現象です。このメカニズムを利用することで、超伝導体の性能を効率的に向上させることができます。超伝導技術の進展には、このような現象の理解が欠かせません。

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