コラム

日本の研究グループが世界新の成果 今さら聞けない「超伝導」の基礎と歩み

2022年11月01日(火)11時25分
超伝導

超伝導の特徴は「マイスナー効果」が起こること。超伝導体の上に磁石を乗せると空中に浮かぶ「磁気浮上」が観察される(写真はイメージです) ktsimage-iStock

<生活に直結する実用的な科学技術で、日本人研究者の貢献も目立つ超伝導研究。発見されてからの100年の歴史と応用例について概観する>

成蹊大、東大などの研究グループは、世界最高の超伝導臨界電流密度(Jc)を持つ材料を作成したと発表しました。マイナス269℃で、1平方センチメートル当たり1億5千万アンペアを達成。総合科学誌Nature系の専門誌「NPG Asia Materials」に掲載されました。

超伝導(「超電導」とも記述)は、研究の発展の節目ごとに何度もノーベル賞を受賞しており、日本人研究者の貢献も顕著な分野です。医療用のMRI(磁気共鳴画像診断)などで、すでに私たちの生活にも導入されている、実用的な科学技術でもあります。

とはいえ、人類が超伝導を発見したのは20世紀になってからです。この100年間でどんな進展があったのでしょうか。超伝導の歴史と応用を概観しましょう。

「マイスナー効果」が起こるのが特徴

超伝導とは、特定の金属や化合物を絶対零度(0K、マイナス273.15℃)近くまで冷やしていくと、ある温度で電気抵抗が急にゼロになる現象です。

電気抵抗とは電流の流れにくさのことです。電流が流れると、超伝導体(超伝導が起きている物質)以外では熱が発生し、電気のエネルギーの一部が失われます。超伝導では電気抵抗がないため発熱せず、エネルギーのロスが起こらないため、電流が流れ続けます。

ただし、すべての物質に超伝導が起こるわけではありません。電気伝導性が高いことで知られている金や銅は、低温になるにつれて電気抵抗が小さくなるもののゼロにはなりません。

20世紀初頭までは、「物質が絶対零度になると電気伝導性がどうなるか」に対する予測は、「電子が流れなくなる」と「電気抵抗がゼロになる」の両極端の説がありました。

1911年に、オランダの物理学者ヘイケ・カマリン・オンネスは、「水銀を冷やしていくと、4.2Kで電気抵抗がほぼなくなる(10万分の1オーム以下になる)」と実験で初めて示し、この現象を「超伝導(supraconductivity)」と名付けました。オンネスは、超伝導の発見やヘリウムの液化の成功などの功績で、「低温物理学のパイオニア」として13年にノーベル物理学賞を受賞しています。

超伝導では「マイスナー効果」が起こることが特徴です。これは、超伝導体の上に磁石を乗せると空中に浮かぶ「磁気浮上」が観察される現象で、物質の内部から磁力線が排除されることが原因です。33年、ドイツの物理学者ヴァルター・マイスナーの助手をしていたローベルト・オクセンフェルトによって発見され、師匠の名で発表されました。

プロフィール

茜 灯里

作家・科学ジャーナリスト/博士(理学)・獣医師。東京生まれ。東京大学理学部地球惑星物理学科、同農学部獣医学専修卒業、東京大学大学院理学系研究科地球惑星科学専攻博士課程修了。朝日新聞記者、大学教員などを経て第 24 回日本ミステリー文学大賞新人賞を受賞。小説に『馬疫』(2021 年、光文社)、ノンフィクションに『地球にじいろ図鑑』(2023年、化学同人)がある。分担執筆に『ニュートリノ』(2003 年、東京大学出版会)、『科学ジャーナリストの手法』(2007 年、化学同人)など。

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