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超伝導


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  • 超伝導とは?
    • 電気抵抗がゼロになる物理現象。1911年にオランダのライデン大学が水銀を零下269℃に冷やしてこの現象を発見した。その後、鉛などの金属、ニオブ・チタン合金などで見つかったほか、1987年に零下196℃の安価な液体窒素で使える酸化物が発見され、超伝導の用途が広がった
      最も普及しているのが病気の診断に使うMRI(磁気共鳴画像装置)だ。
      超電導磁石で発生した強い磁場を体に当て、体内部の断層写真を撮影する。
  • メカニズム
    • 2007年、理化学研究所などは、超電導のメカニズム解明につながる新現象を突き止めた。有機分子の結晶が電気を通さない絶縁体から金属や電気抵抗ゼロの超伝導状態に移る様子を詳しく観察し、途中に生まれる『VBS』と呼ぶ電子状態が重要であることを確認した。
      成果は米科学誌フィジカル・レビュー・レターズに掲載
      VBS状態では、結晶分子中の電子が2個でペアを作ることで、電子の「スピン」と呼ぶ性質が混じり合っている状態。研究チームは、有機分子結晶の超電導状態は、VBS状態から生まれることを解明した。
      パラジウムと有機イオンを材料に、VBS状態をつくりやすい。三角格子の特殊な結晶を作製。この結晶を加圧・冷却したり、外から磁場をかけたりして実験したところ、もともと絶縁体の状態から金属や超伝導体になる過程でVBS状態を経由することが分かった。
  • 有機分子と光を使って超伝導物質の性質を変える
    • 慶応義塾大学理工学部の栄長泰明准教授らは、有機分子と光を使って超伝導物質の性質を変える実験に成功した。有機分子の膜で超伝導体を覆い、可視光や紫外線を当てると物質に流れる電流の値が変化した。
      超伝導体の一種であるニオブの薄膜に、光を吸収して構造を変える有機分子の膜をかぶせた。すると、電気抵抗がゼロの超伝導状態になる温度が約1度上昇した。
  • 電子を平面上の空間にとじ込め
    • 2010年、京都大学の松田祐司教授と名古屋大学などのチームは、電子を平面上の空間にとじ込めて、見かけ上の質量を1000倍に高める手法を開発した。
      大気の10兆分の1という「非常に高い真空状態で、特殊な基板にセリウムやインジウム、ランタンなどレアメタル(希少金属)を蒸着させた。薄膜の厚さは約300ナノb、縦横約1ab。セリウムとインジウムの化合物からなる層で挟んだ構造がいくつも重なっている。
      セリウムなどの層は原子1個分の厚さしかない、電子はその層の間でしか動けない。ほぼ絶対零度(-273℃)の環境にすると電子は非常に動きにくくなり、質量が見かけの上では1000倍になる。
      成果は2/19のサイエンスに掲載
  • 原子1層で
    • 極低温で電気抵抗がゼロになる現象を「超電導」という。これは多数の電子が1つの波のようにふるまって生じる現象だ。超伝導物質は電磁石として使われている。また、極めて少ない得んっるぎー消費で送電が可能になるので、環境に優しい技術として期待されている。
      超伝導材料を薄くしていくと、電子の運動が制限され、超電導になることが困難になると考えられている。しかしどこまで薄くできるかは不明であった。
      中国、精華大学のジャン博士らは、シリコン上に、インジウムを添加した鉛を原子1個分の薄膜に成長させると、絶対零度近くに冷やした。すると、この薄膜は超伝導状態となった。この現象は、電子の動きがわずかにシリコンにまではみだし、電子の運動が強く制限されていないからだという。



  • 炭素分子「C60」で超電導
    • 2001年、低温で電気抵抗がゼロになる超伝送の新材料発見が相次ぎ、背か胃液に研究が熱を帯び始めた。米国では「フラーレン(C60)」と呼ばれる炭素分子が絶対温度52度(摂氏零下221)で超電導になることが見つかった
  • 電子の性質・・・磁石として
    • 物質が一定の温度以下で電気抵抗がゼロになる超伝導が比較的高温度で起きる銅酸化物で、電子が持つ性質(スピン)を媒介とした力が超伝導の起こりやすさを決めることを、東北大学院理学研究化の高橋隆教授(固体物理学)のグループが2005年12/26までに突き止めた。
      超伝導は、物質中で本来は反発するはずの電子2個が引き合ってペアを作ると起きるとされている。
      高温超伝導物質で引き合う力が発生する仕組みについて、原子の振動が媒介する説と、スピンが関与するという説の間で議論が続いていた。
      高橋教授らは、高温超伝導物質の銅酸化物に原子の振動にほとんど影響を及ぼさず、電子のスピンの状態が銅と異なる亜鉛・ニッケルをそれぞれ混入。通常の銅化合物とあわせ計3種類の試料を用意し、開発した世界最高水準の分解能を持つ光電子分光装置で高エネルギー紫外線を照射。試料から出る電子のエネルギー状態を測定した。
  • 元素の振動が
    • 2006年、日米の研究チームが「高温超電導」の原理解明につながる成果。発見したのは東京大学の内田慎一教授らと産業技術総合研究所、米コーネル大学のチーム。
      研究チームは高温超電導のビスマス系銅酸化物について、原子の動きをとらえる走査型トンネル顕微鏡で調べた。その結果、超電導現象に特有の2つの電子が対になった状態(クーパー対)が、銅元素などの振動で起きている証拠を得たという。こうした元素の働きは『電子格子相互作用』を呼ばれ、極めて低い温度の超電導物質にはみられるが、高温物質では確認されて射なかった。
      高温超電導物質は1986年に発見され、これまで高温物質になる原因は電子の持つ磁気的な性質が働く『電子間相互作用』との考えが主流になっている。電子格子作用で超電導が起きるとの主張は、学会では小数だった。
      ところが、今回の東大のチームのほかに、名古屋大学のチームが 今春、電子格子作用の関与を示す論文を発表している。
  • 電圧が電子を解放
    • ある種の有機物の絶縁体に高圧をかけると超電導になるのは、分子のカゴに捕らえられていた電子が動けるようになるため・・・。
      理化学研究所や東北大学のチームは、炭素系の有機物絶縁体の電気抵抗が高圧下でゼロになる仕組みを解明し、サイエンス電子版に発表。
      この有機物は60個の炭素原子がカゴ状に連なるフラーレンにセシウムを混ぜた物質。通常は絶縁体だが、摂氏零下約235度に冷やすと電気抵抗がゼロになり電流が半永久的に流れ続ける。
      理研の高田昌樹主任研究員らがこの有機物の時期や光の吸収などを調べたところ、通常の圧力では電子がフラーレン分子に捕らえられ、絶縁体になることが判明。徐々に圧力をかけると、3000気圧で電子が分子の間を飛び移るようになり、超電導になるという。
  • 黒鉛の化合物でできた超伝導物質
    • 2009年、岡山大学の横谷尚睦教授と岡崎宏之非常勤研究員らは、黒鉛の化合物でできた超伝導物質が独自の電子構造を持つことを突き止めた。
      炭素原子の層(グラフェンシート)間にカルシウムが挟まった超電導物質について、共鳴光電子分光という技術で電子のエネルギー状態を詳しく調べた。電気抵抗ゼロの超伝導現象を示すのは、カルシウム原子の最も外側にある「3d軌道」の電子であることが分かった。
  • 絶対零度でも電子スピン
    • 2010年京都大学の松田祐司教授らと理化学研究所は6/3、絶対零度になっても電子のスピン(回転)が止まらず動く続ける物質を見つけたと発表。サイエンスに掲載。
      物質は通常、絶対零度(-273.15℃)近くまで冷えると原子や電子の動きが止まる。電子のスピンも一定方向に並ぶのが一般的だが、分子構造が三角形など特殊な構造の場合には、スピンがどのように並ぶかは不明だった。
      物質は電子が熱を運ぶ役割をする。そのため電気を流さない絶縁体は熱を伝えにくい。
      研究チームは炭素や水素・パラジウイムからなる有機物に注目。三角形に並んだ特殊孔分子構造をしているのが特徴。絶対零度近くまで冷やしてもスピンは自由に動き回っていた。この有機物は絶縁体にもかかわらず、熱伝導性が金属のように高かった。
  • コバルトで
    • 2011年、東京工業大学の細野秀雄教授と溝口拓特任准教授らは、新しい超伝導材料を発見した。
      超伝導材料は1911年にオランダで発見された。電気抵抗ゼロとあわせて磁力を排除する「マイスナー効果」を示し、磁性元素を含めないことが原則。
      鉄・コバルト・ニッケルは代表的な強い磁性元素で、混ぜないことが常識だった。細野教授らはあえて磁性元素を入れた超伝導材料の開発を進め、2007年以来、次々と発見した、
  • 「ジョセフソン効果」と物理学的に正反対の現象
    • 2012年、理化学研究所の蔡兆申チームリーダーらはNECと共同で、超伝導物質が示す新たな物理現象を発見した。
      磁力線の最小単位である「量子磁束」が、極めて薄い超伝導物質をすり抜ける現象。
      超伝導に関係する代表的な物理現象は、これまで5つ見つかっており、うち4つの発見者はノーベル賞を受賞している。
      研究成果は4/19付けのネイチャー(電子版)に発表。
      この現象を使うと正確に電流を測ることができる。
      長さや重さなどにある標準となる値が、電流ではこれまで他の標準値から間接的にしか出せなかった。
      新現象を使えば標準値の決定も可能になる。
      新現象は、これまでに見つかっている5つの物理現象のうちの「ジョセフソン効果」と物理学的に正反対の現象で、2006年に理論的に予測されていたが、今回実験で確認した。
  • 免震装置
    • 2013年、東北大学の津田理教授と奥村組が、超伝導を使って地震の横揺れ対策の装置を開発した。
    • 超伝導材料には−196℃の液体窒素で冷やすと電気抵抗がゼロになる銅酸化物を使う。



  • 高温(従来比2倍)で臨界
    • 2001年、青山学院理工学部の秋光純教授の研究チームは金属系で従来の2倍近い高い温度で電気抵抗がゼロになる新しい高温超伝導体を発見した。金属系は現在主流になっている酸化ブル超伝導体に比べ、1/10以下のコストになると見られ、加工もしやすい。安価な材料を使って線材や素子を作り、電力貯蔵システムや超高速コンピューターなどを抵コストで実用化する道を開くことになりそうだ。
      電気抵抗がゼロになる超伝導現象は、20世紀初頭に発見されたが、極低温でしか実現できず、最高温度は摂氏零下250度(−250℃)程度だった。ところが1986年、セラミックス(酸化物)が従来知られていた金属系材料よりはるかに高温で超伝導になることが発見され、「超伝導フィーバー」と呼ばれる激しい研究開発競争が起こった。現在、安価な液体窒素(−196℃)を冷却に使えるセラミックス超伝導材料が実用化している。
      秋光教授らが発見した物質は、金蔵のマグネシウムとホウ素からなる「二ホウ素マグネシウム」。電気抵抗がゼロになる温度は臨界温度と呼ばれる。新高温超伝導体は臨界温度が絶対温度で表すと39度で、摂氏の換算すると零下234度になる。
  • 臨界温度
    • 2009年、東京工業大学の笹川祟男准教授と米スタンフォード大学のチームは、超伝導物質の電気抵抗がゼロになる「臨界温度」の大幅な引き下げにつながる実験データを発表。
      「角度分解光電子分光」と呼ぶ最先端手法で超伝導物質内の電気的な状態を分析した。
      物質は超伝導状態になると電気の運び役(キャリア)が2個づつで「クーパー対」を組む。結晶内でキャリアが流れる面の電気的な状態を調べると、キャリアがペアを維持する力(超電導ギャップ)とペア数が、クーパー対の向きによって異なっていた。
      超電導ギャップが大きく、かつクーパー対が多いほど臨界温度は高くなる。
  • マイナス35度で超伝導
    • 2013年、長崎総合科学大学の加藤貴准教授は、石油に含まれる炭素分子を使えば摂氏零下35度で電気抵抗がゼロになる超伝導が実現する可能性を明らかにした。
    • 研究成果はフィジカリ・ケミストリー(電子版)に掲載。
    • 高い臨界温度を予想したのは、石油に含まれる「ピセン」という炭素分子。
    • ピセンは炭素原子からなる六角形(ベンゼン環)が、5個つながった構造。
    • 2011年に岡山大学の久保園芳博教授らがピセンにカリウムを加えて臨界温度が−255℃の超伝導物質を合成した。
    • 加藤准教授はカリウムを加える量を調整して、臨界温度がどこまで上昇するかを理論的に予測した。ピセン分子1個あたりのカリウム原子数が3個からわずかに減った場合、−35℃で超伝導になる可能性がわかった。



超伝導状態に
  • マイナス244℃で
    • 2011年、大阪大学と高輝度光科学研究センターはカルシウムを200気圧以上の高圧状態にすると、マイナス244℃で超伝導状態になることを発見した。
    •  研究グループは、ストロンチウムやバリウムなどアルカリ土類金属に分類される元素が、高圧状態で特殊な結晶構造となり、超伝導になることに注目。同じアルカリ土類金属で軽いカルシウムも圧力をかけると同じ結晶構造になると予測して研究した。



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