超伝導とは何か?
 超伝導(Superconductivity)とは、特定の金属や化合物などの物質を超低温に冷却したときに、電気抵抗が急激にゼロになる現象。1911年、オランダの物理学者ヘイケ・カメルリング・オンネスにより発見された。この現象が現れるときの温度は超伝導転移温度と呼ばれ、この温度を室温程度に上昇させること(室温超伝導)は、現代物理学の重要な研究目標の一つである。

 なお、この現象と同時に、マイスナー効果により外部からの磁力線が遮断されることから、電気抵抗の測定によらなくとも、超伝導状態が判別できる。金属は温度が下がると電気伝導性が上がり、逆に温度が上がると伝導性は減少する。これは温度の上昇に伴って伝導電子がより散乱されるためである。この性質から、絶対零度に向けて金属の電気抵抗はゼロになることが昔から予想されていた。

このことを検証する過程で、超伝導は1911年にヘイケ・カメルリング・オネスによって発見された。超伝導となる温度(臨界温度、Tc)は金属によって異なり、例えばニオブは9.22K、アルミニウムは1.20Kとなる。 特定の物質が超低温に冷やされた時に起こる現象は「超伝導現象」(Superconductivity phenomenon)、超伝導現象が生じる物質のことは「超伝導物質」(Superconductor)、超伝導物質が超伝導状態にある場合「超伝導体」と呼ばれる。

Superconductivity

 液体窒素の沸点である-196℃(77 K)以上で超伝導現象を起こすものは特に高温超伝導物質(Cuprate superconductor)と呼ばれる。 物質が超伝導状態になるということは「水が氷になるように、まったく新しい相へ移行すること(相転移)」を意味する。このため超伝導相に移り変わる温度を、(超伝導)転移温度という。超伝導に転移する前の相は常伝導という。

 絶対零度付近で新しい臨界現象を発見
 京都大学の研究グループは、低温物質科学研究センター、米エイムス研究所、米アイオワ州立大学、米イリノイ大学、英ブリストル大学、および青山学院大学の研究グループと共同で、超伝導状態が絶対零度で示す新しい臨界現象を発見した。

 鉄イオンを含む高温超伝導物質の元素組成比を化学的に変化させたところ、ある組成比に近づくにつれて、超伝導電子の重さが著しく増強されることを実験的に明らかにした。この結果は超伝導状態の中に、臨界点(特異点)が存在することを直接的に示すもので、これまでの長年の未解決問題に答えを与えるものである。この臨界点の存在は、二つの異なる超伝導状態が絶対零度で存在することを意味している。さらに、超伝導転移温度は、この臨界点直上で最も高く、本研究成果は高温超伝導発現機構の理解へつながると期待される。本研究成果は、米国科学雑誌「Science」2012年6月22日号に掲載された。

 物質の温度を変化させると、一つの状態(相)から別の状態(相)に変化する。例えば磁石を暖めると、ある温度において急に磁力が消失してしまう。このような現象は相転移と呼ばれ、物理学の中心的課題の一つである。相転移の近傍では、均一な状態からのずれ(ゆらぎ)が大きくなるが、通常これは熱によって引き起こされたゆらぎと考えることができる。しかしながら、相転移はこの熱ゆらぎの存在しない絶対零度(摂氏マイナス273度)でも、圧力、化学組成など、温度以外のパラメーターを変化させることによって起こすことが出来る。このとき、その起源は、熱ゆらぎではなく、ハイゼンベルグの不確定性原理に由来する量子ゆらぎであり、通常の相転移と区別して量子相転移と呼ばれる。また、量子相転移を起こす、パラメーター空間内の特異点を量子臨界点と呼ぶ。
 
 2008年に日本で発見された鉄イオンを含む新型高温超伝導体は、相転移の一種である反強磁性の相転移温度が絶対零度付近に制御された物質群で、高い転移温度を持ったドーム型の超伝導が出現することがわかっている(図1)。しかしながら、ドーム型の超伝導相ができることで、絶対零度の相転移点(量子臨界点)が消失してしまうのか(図1左)、超伝導内部で相転移点が存続しているのか(図1右)が大きな論争になっていた。 

 今回、同じ超伝導状態でも、高温超伝導物質の元素組成比を変化させ、絶対零度に近づけたところ、ある組成比に近づくにつれて、「磁場侵入長」λが変化していることがわかった。このことは超伝導電子がこの近辺でのみ急激に重くなることを意味している。このような結果は他の超伝導体では見つかったことがない驚くべき結果である。(京都大学プレスリリース 2012年6月22日)

 「磁場侵入長“λ”」の変化
 超伝導物質では、転移温度Tc以下の温度に冷却すると、電気抵抗がゼロになり電力消費なしに電流を流すことができ、それと同時に磁場を完全に遮蔽することができる性質(マイスナー効果)を示す。この磁場を遮蔽する能力は、「磁場侵入長」λとよばれる物理量で決定づけられる(図2)。磁場侵入長の長さ(通常数十~数百ナノメートル程度)は超伝導電子の密度と重さ(有効質量)と密接な関係があり、超伝導状態を記述する上で最も基本的かつ重要な量となっている。

 今回、研究グループは極低温においてこの磁場侵入長を高精度に測定する手法を開発し、鉄系超伝導体BaFe2(As1-xPx)2の純良単結晶試料を用いて、絶対零度における磁場侵入長について、P組成比xに対する変化を定量評価することに成功した。その結果Tcが最大となるx=0.30で磁場侵入長が急峻に長くなることを見出した。このことは超伝導電子がこの近辺でのみ急激に重くなることを意味している。このような結果は他の超伝導体では見つかったことがない驚くべき結果であり、今回非常に純良な試料を多数の組成比で調べたこと、さらに通常正確な測定の困難な物理量を3種類の異なる実験手法を用いることで系統的に調べたことにより、初めて明らかになった。

 このような絶対零度における磁場侵入長の急激な増大は量子効果によるゆらぎの増大が超伝導電子に影響を及ぼしていることを初めて直接示したものであり、図のように量子臨界点が超伝導相内に存在していることを意味する。この結果により、今まで論争になっていた二つの超伝導状態が存在することも同時に示されたことになる。さらに、量子臨界点でTcが最大になっていることから、量子効果によるゆらぎの増大と超伝導転移温度を高める要因が強く関連していることが示唆される。本研究成果により、超伝導電子に及ぼす量子ゆらぎの効果の重要性が初めて明らかとなり、今後の研究により高温超伝導発現メカニズムの解明につながることが期待される。(京都大学プレスリリース 2012年6月22日)

参考HP 京都大学プレスリリース:超伝導物質が絶対零度で示す新しい臨界現象を発見 Wikipedia:超伝導

超伝導の基礎
クリエーター情報なし
東京電機大学出版局
トコトンやさしい超伝導の本 (B&Tシリーズ―今日からモノ知りシリーズ)
クリエーター情報なし
日刊工業新聞社

 ブログランキング・にほんブログ村へ 人気ブログランキングへ   ←One Click please