高温超伝導

高温超伝導：液体窒素温度を超える革新的な現象

高温超伝導とは、従来の超伝導体よりも高い温度で超伝導状態を示す現象です。超伝導状態とは、電気抵抗がゼロになり、磁場を完全に排除する状態のことです。この現象は、様々な産業分野への応用が期待されており、活発な研究開発が続けられています。

高温超伝導の発見と歴史

1986年、IBMチューリッヒ研究所のベドノルツとミューラーは、ランタン・バリウム・銅・酸素系化合物（La-Ba-Cu-O）において、従来の超伝導体よりも高い転移温度（超伝導状態になる温度）を示す現象を発見しました。この発見は、超伝導研究に大きな衝撃を与え、世界中で高温超伝導物質の探索が活発化しました。

その後、イットリウム・バリウム・銅・酸素系化合物（Y-Ba-Cu-O）など、液体窒素の沸点（77K）を超える転移温度を持つ物質が発見されました。これは、冷却に高価な液体ヘリウムを用いる必要がなくなり、実用化への期待を高めました。

近年では、鉄系超伝導体や水素化物超伝導体など、新たな高温超伝導物質も発見され、転移温度の記録は更新され続けています。特に、室温付近で超伝導を示す物質の探索は、材料科学分野における最重要課題の一つとなっています。

高温超伝導物質の種類と特徴

高温超伝導物質は、大きく分けて銅酸化物系と鉄系、水素化物系などに分類されます。

銅酸化物系超伝導体: ペロブスカイト構造を基礎とした結晶構造を持ち、2次元的なCuO2面が超伝導電流を担っています。代表的な物質としては、YBCO（イットリウム系）、BSCCO（ビスマス系）などがあります。YBCOは液体窒素温度以上の転移温度を持つ最初の物質として有名です。BSCCOは、高い転移温度と比較的容易な作製方法が特徴です。また、希土類元素（RE）を含むREBCO系は、線材化技術が進み、実用化に向けた研究開発が盛んに行われています。

鉄系超伝導体: 鉄を含む化合物で、銅酸化物系とは異なる電子構造を持つことが特徴です。転移温度は銅酸化物系ほど高くありませんが、結晶構造の制御が比較的容易なため、研究が盛んです。

* 水素化物超伝導体: 高圧下で水素を含む化合物において、非常に高い転移温度を示すことが報告されています。特に、硫化水素やランタン水素化物では、室温付近での超伝導の可能性が示唆されており、大きな注目を集めています。しかし、これらの物質は超高圧下でのみ超伝導を示すため、常圧での実現が課題となっています。

高温超伝導の機構

高温超伝導の機構は、未だ完全に解明されていません。従来型超伝導では、BCS理論で説明されるフォノンを介したクーパー対形成が主要なメカニズムですが、高温超伝導では、スピンの揺らぎや電子の相互作用が重要な役割を果たしていると考えられています。現在も、様々な理論的・実験的研究が続けられています。

高温超伝導の応用

高温超伝導は、その優れた特性から、様々な分野への応用が期待されています。液体窒素による冷却が可能になったことで、実用化への障壁が低くなりました。現在、送電線、医療用機器（MRIなど）、磁気浮上式[[鉄道]]、高周波デバイスなどへの応用が進められています。しかし、材料の加工性や臨界電流密度の向上など、解決すべき課題も残されています。

今後の展望

室温[[超伝導]]の実現は、科学技術における究極の目標の一つです。近年、水素化物超伝導体における研究開発が大きく進展しており、常圧下での室温[[超伝導]]の実現に向けた研究が加速しています。室温[[超伝導]]が実現すれば、エネルギー問題の解決や情報通信技術の飛躍的な進歩など、社会に大きな変革をもたらすことが期待されます。

もう一度検索