物理理科電磁気学・光学・天文学

低温で実現する不思議な状態「超電導」を元理系大学教員が分かりやすく解説

よぉ、桜木建二だ。今回は超電導について解説していくぞ。
超電導はある種の金属を極端に冷却すると、電気抵抗がなくなってしまうなど特異な性質を示す状態だ。今日では様々な分野でその特徴が応用され、活かされている。

今回は超電導に詳しい理系ライター、ひいらぎさんと一緒に解説していくぞ。

解説/桜木建二

「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。

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ライター/ひいらぎさん

10年以上にわたり素粒子の世界に携わり続けている理系ライター。中でもニュートリノに強い興味を持っており、その不思議な性質を日夜追いかけている。今回は素粒子実験にも応用されている超電導についてまとめた。

超電導とは?

image by iStockphoto

ニオブやアルミニウムといった、ある種の金属が液体ヘリウムなどを用いて極度に低い温度に冷やされると、ある温度(臨界温度と呼びます)を境に電気抵抗が急激に減少していき、ついには0になってしまいます。この状態が超電導状態です。

超電導状態では電気抵抗がないため、一度電流を流すと半永久的にそれが流れ続けます。またそれ以外にもマイスナー効果やピン止め効果といった特徴があるのですが、同様の性質は通常の金属のような常電導体では見られません。

どうしてそのようなことが起きるのでしょうか。

電気抵抗の正体

導線に電流が流れている場面を想像してみましょう。導線中では、プラスの電気を帯びた金属原子が格子状に並んだ状態で存在しており、そこを電子の集団が流れていきます。この電子が電流です。格子状の金属原子は、温度の影響によりバネのように振動しています。

そこに電子の集団がやってくると、どうなるでしょうか。

当然電子は、プラスの電気を持つ金属原子に引き寄せられるのですが、金属原子の振動の影響を受けて弾き飛ばされてしまいます。すると、電流の役割を担っていた電子が失われるため、電流が減ってしまいますね。これが電気抵抗の正体です。

なぜ電気抵抗がなくなってしまうのか

電気抵抗の正体が分かると、絶対零度(0K)なら電気抵抗が0になる、と予測できます。しかし、例え温度が0になったとしても、金属原子と電子がぶつかることで金属は振動してしまうため、結局、電気抵抗は完全に無くなりません。

この結論は、超電導が見せるものとは全く異なった姿です。では、電気抵抗が完全になくなってしまう原因はなんなのでしょうか。

これは流れていく電子をペアで考えると解決できるのです。金属原子に電子が当たってエネルギーを与えた時、格子状に並んだ金属原子はわずかにですが歪みます。するとこの瞬間、プラスの電気を帯びた領域が偏った状態になるはずです。ここに後からやってきた電子が流れ込むと、多めの正電荷の影響を受けて加速します。これはちょうど、一つ目の電子が失ったエネルギーを二つ目の電子が奪い返した形です。全体で見ればエネルギーを失うことなく電子が流れていくのが分かります。これが電気抵抗は0になる理由です。

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電気抵抗は電子とその中の原子がぶつかり合うことで生まれるのだな。そして超電導はその抵抗がなく、電流が流れ続けるというわけだ。それがどのような性質を生み出すのか。その特異性を見ていこう。

マイスナー効果とは

image by iStockphoto

超電導体に磁石などを近づけ外から(一定値以下の)磁場をかけると、超電導体はこの磁場を完全に遮蔽して、内部の磁束密度が0になります。これがマイスナー効果と呼ばれる性質です。見方を変えると、超電導体は外部の磁場をちょうど打ち消すだけの磁化を持つということでもあるので、「完全反磁性」とも言います。

ではその理由について考えていきましょう。

超電導体の表面には、磁場の変化によって誘導電流が流れます。もちろん、超電導なので一度流れ始めた電流はずっと同じ強さで流れ続けるのですが、この電流の作る磁場がちょうど外からの磁場と逆向きになるため、マイスナー効果が現れるのです。

このマイスナー効果の見える実験として、浮き磁石の実験というものがあります。使うものは超電導になる金属と永久磁石です。常電導体になっている金属の上に永久磁石を置いて、そこに液体ヘリウムなどを使い、温度を下げていきます。すると、常電導体がある温度を下回り超電導体になった瞬間、それまで常電導体に乗っていた磁石が、マイスナー効果により磁場が排除されることで浮かび上がるのです。

一見すると磁石同士でも同じような現象ができそうに思えますが、実際には磁石はひっくり返ろうとしてしまうため、うまくいきません。浮かんだ状態で安定するのは、超電導ならではの性質なのです。

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