超伝導体とは?定義、種類、用途

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超伝導体は、臨界温度と呼ばれる温度以下に冷却されると、突然すべての電気抵抗を失い、エネルギーを失うことなく電気を伝導できるようになる材料です。これらの物質はまた、非常に特異な磁気特性を示します。これらは完全に反磁性の物質です。つまり、磁力線を排除します。これは、磁石の近くに置くと、磁力線は側面を通過しますが、材料を貫通しないことを意味します。

電流が円形ワイヤなどの超伝導材料に誘導されると、この電流は、材料が冷たいままである限り無限に流れ続けます。この抵抗のない電流は超電流と呼ばれ、とりわけ、非常に強い磁場を生成するために使用されます。

超電導、つまり物質が臨界温度以下で超伝導体になる性質は、1911年に発見され、当時の物理学者を完全に驚かせました。その反磁性特性 (マイスナー効果と呼ばれる) が発見されるまでに 20 年以上かかり、物理学者が超伝導が発生する理由を説明できるようになるまでにほぼ半世紀かかりました。1957 年にジョン・バーディーン、レオン・クーパー、ボブ・シュリーファーがこの問題を解決し、1972 年にノーベル物理学賞を受賞しました。

臨界温度および高温超伝導体

最初に発見された超伝導体の臨界温度はわずか 3.6 K で、これは -269.6 °C に相当します。このような低温を生成して維持することは非常に困難であり、この記事の後半で説明するように、超伝導体の使用は非常に特殊な用途に限定されています。

このため、室温に近い臨界温度を持つ超伝導体の開発に常に取り組んでいる科学者が世界中に何百人もいます。これらの物質は高温超伝導体と呼ばれます。

初期の進歩で臨界温度は数十度上昇しましたが、最近、臨界温度が 14.5 °C の超伝導体が初めて開発されました。

超伝導体の種類

超伝導体には、その組成と磁場との相互作用の仕方に応じて、基本的に 2 種類の超伝導体があります。

I型超伝導体

これらが最初に発見されました。これらは、マイスナー効果を示す純粋な元素です。つまり、臨界温度を下回ると磁場を反発します。一般に、材料ごとに固有の単一の臨界温度があり、臨界温度を下回る電気抵抗の低下は急激です。

II型超伝導体

これらは、超伝導を示す合金またはセラミック材料を形成するために結合するさまざまな元素の混合物で構成されています。I型超伝導体との違いは、電気抵抗の低下が緩やかであるため、抵抗が低下し始める温度とゼロに達する温度の2つの臨界温度があることです。

このタイプの超伝導体のもう 1 つの重要な特徴は、十分に強い外部磁場が適用されると、材料がその超伝導性を失うことです。

超伝導体の用途

粒子加速器

おそらく、これまでで最も印象的な超伝導体の応用は、素粒子物理学に関する科学研究の分野です。超伝導体は、人類が作った最大の機械の 1 つである大型ハドロン衝突型加速器で粒子ビームを閉じ込めておく電磁石で使用されています。

熱核力

核融合は、100 年にわたってクリーン エネルギーの夢の源でした。しかし、核融合を起こしてそれを維持するためには、トカマクと呼ばれる中空のドーナツの中で水素ガスとヘリウムガスを回転させる際に、摂氏 1 億度まで加熱する必要があります。

量子コンピューティング

量子コンピューティングの最も有望な実装の 1 つは、その動作に不可欠な超伝導回路を使用しています。

量子コンピューティングにおける超伝導体
量子コンピューティングにおける超伝導体

医療画像診断

超伝導体の開発により、これまで不可能だった医用画像診断装置や技術の創出が可能になりました。これらの技術の 1 つに SQUID 脳磁計があります。これは、コンパスの針を動かすのに必要な磁場の 10 億分の 1 の磁場の変化を検出することができます。

超伝導体による新しいイメージング
MRIトンネル

発電

最後に、別の最近のアプリケーションは、銅線の代わりに超電導線で作られた発電機の使用です。これらの発電機は、従来の発電機よりもはるかに効率的で、はるかに小型で軽量です。

参考文献

チャールズ・スリクター (2007)。超伝導の歴史の紹介 (物理学の学生と科学者向け)。https://history.aip.org/exhibits/mod/superconductivity/01.htmlから取得

Castelvecchi、D. (2020 年 10 月)。世界初の室温超伝導体は、科学者たちを興奮させ、困惑させます。Nature 586, 349。https://www.nature.com/articles/d41586-020-02895-0から取得

Snider、E.、Dasenbrock-Gammon、N.、McBride、R. ら。 (2020)。炭素質硫黄水素化物における室温超伝導。 自然 586、373–377 https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z#citeasから取得

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Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

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