臨界磁場

臨界磁場：超伝導現象の鍵を握る磁場の強度

超伝導状態にある物質は、外部磁場を完全に排除するマイスナー効果を示します。しかし、外部磁場の強度がある値を超えると、この超伝導状態は失われ、通常の伝導状態に戻ってしまいます。この超伝導状態を破壊する磁場の強さを臨界磁場 (Hc) と呼びます。臨界磁場は超伝導体の重要な特性の一つであり、その値は超伝導体の種類や温度によって異なります。

臨界磁場の発見と基礎

臨界磁場の存在は、1913年、オネスによる鉛を用いた実験で初めて確認されました。彼は鉛線をコイル状に巻き付け、電流を流すことで強力な磁場を発生させようと試みました。その結果、ある電流値を超えると鉛の超伝導状態が失われることを発見し、この現象から臨界磁場の概念が生まれたのです。

臨界[磁場]]の強さは、超伝導体の転移温度] と密接な関係があります。[転移温度とは、超伝導状態から常伝導状態へ相転移する温度のことです。一般的に、温度が低いほど臨界磁場は大きくなり、転移温度] では臨界[[磁場はゼロとなります。この関係は、経験的に以下の式で表されます。

Hc(T) = Hc(0)(1 - (T/Tc)^2)

ここで、Hc(T) は温度Tにおける臨界磁場、Hc(0) は絶対零度における臨界磁場、Tcは転移温度です。臨界磁場、転移温度に加え、臨界電流密度も超伝導体の重要な特性であり、これらは互いに関連し合っています。

第一種超伝導体と第二種超伝導体

臨界磁場に対する反応の違いから、超伝導体は大きく第一種と第二種の2種類に分類されます。

第一種超伝導体

第一種[超伝導]]体は、臨界磁場Hcを超えると、超伝導状態が一気に常伝導状態へ転移します。鉛やチタンなど、多くの金属元素が第一種超伝導体として分類されます。ニオブ]と[バナジウム]を除く純粋な金属元素が第一種[[超伝導体に属します。一方、合金は第二種超伝導体となります。

第二種超伝導体

第二種超伝導体は、第一種とは異なり、2つの臨界磁場、Hc1とHc2を持ちます。Hc1を超えると、磁束が超伝導体内部に侵入し始めますが、依然として電気抵抗ゼロの状態を保ち、超伝導状態と常伝導状態が共存する状態になります。この状態では、磁束が超伝導体内部で規則正しく配列した状態（磁束格子）を形成します。さらに磁場を強くしてHc2を超えると、完全に常伝導状態となります。

第二種超伝導体は、第一種超伝導体よりもはるかに強い磁場下でも超伝導状態を維持できるため、強力な超伝導磁石の材料として広く利用されています。ニオブチタン(NbTi)やニオブスズ(Nb3Sn)などの合金、そして銅酸化物高温超伝導体などが第二種超伝導体として知られています。第二種超伝導体の重要な特徴として、磁束ピン止め効果が挙げられます。これは、磁束が超伝導体内部で固定される現象で、超伝導磁石の性能向上に大きく貢献しています。また、第二種超伝導体では磁束の量子化という現象が見られます。これは、超伝導体内部に侵入する磁束が、プランク定数と素電荷で決まる量子化された値しか取れないというものです。

臨界磁場の応用

臨界磁場の特性は、様々な分野で応用されています。特に、第二種超伝導体は、医療用の核磁気共鳴画像装置(MRI)や粒子加速器などに用いられる強力な超伝導磁石の材料として不可欠です。これらの装置は、臨界磁場の特性を利用することで、高磁場環境を効率的に生成し、高性能な装置を実現しています。

まとめ

臨界磁場は、超伝導現象を理解する上で非常に重要な概念です。第一種と第二種超伝導体の違い、そしてその応用技術は、現代科学技術において重要な役割を果たしています。今後、より高性能な超伝導材料の開発や、臨界磁場の精密制御技術の発展が期待されています。

もう一度検索