磁石の上に浮かぶ高温超伝導体。超伝導体の表面には永久電流が流れ、磁石の磁場を排除する働きをします（マイスナー効果）。この電流は事実上、磁石を反発する電磁石を形成します

超伝導とは、超伝導体（電気抵抗が消失し、磁場が物質から放出される物質）に見られる一連の物理的特性です。通常の金属導体は温度が下がるにつれて抵抗が徐々に減少し、絶対零度近くまで低下しますが、超伝導体には臨界温度があり、それ以下では抵抗が急激にゼロになります。[1] [2]超伝導線のループを流れる電流は、電源なしで無期限に流れ続けることができます。[3] [4] [5] [6]

超伝導現象は1911年にオランダの物理学者ハイケ・カメルリング・オンネスによって発見されました。強磁性や原子スペクトル線と同様に、超伝導は量子力学によってのみ説明できる現象です。超伝導はマイスナー効果、 すなわち超伝導状態への遷移中に超伝導体内部の磁場が完全に打ち消される現象によって特徴付けられます。マイスナー効果の発生は、超伝導が古典物理学における完全な伝導性の単なる理想化として理解できないことを示しています

1986年、一部の銅酸化物ペロブスカイトセラミック 材料の臨界温度が35 K（-238 °C）を超えることが発見されました。[7]間もなく（ Ching-Wu Chuによって）、ランタンをイットリウムに置き換える（つまりYBCOを作る）と、臨界温度が92 K（-181 °C）に上昇することが発見されました。これは、液体窒素を冷媒として使用できるようになるため重要でした。このような高い転移温度は、従来の超伝導体では理論的に不可能であるため、これらの材料は高温超伝導体と呼ばれるようになりました。安価に入手可能な冷媒である液体窒素は77 K（-196 °C）で沸騰するため、これよりも高い温度で超伝導が存在することで、低温では実用的ではない多くの実験や応用が可能になります。

歴史

超伝導材料の年表。色は異なる種類の材料を表しています
  •   BCS（濃い緑色の円）
  •   重い電子系（薄い緑色の星）
  •   銅酸化物（青いひし形）
  •   バックミンスターフラーレン（紫色の逆三角形）
  •   炭素同素体（赤い三角形）
  •   鉄窒素系（オレンジ色の四角形）
  •   ルテニウム酸ストロンチウム（灰色の五角形）
  •   ニッケル系（ピンクの六芒星）
超伝導の発見者、ハイケ・カメリング・オネス（右）。彼の左には、パウル・エーレンフェスト、ヘンドリック・ローレンツ、ニールス・ボーアが立っている

超伝導は、1911年4月8日に、当時生成されていた液体ヘリウムを冷媒として用いて極低温での固体水銀の抵抗を研究していたハイケ・カメルリング・オンネスによって発見されました。[8] 4.2 Kの温度で、彼は抵抗が突然消えるのを観察しました。[9]同じ実験で、彼は2.2 Kでのヘリウムの超流動転移も観察しましたが、その重要性を認識していませんでした。発見の正確な日付と状況は、オンネスのノートが発見された1世紀後に初めて再構築されました。[10]その後数十年間で、超伝導は他のいくつかの物質で観察されました。1913年には鉛が7 Kで超伝導することが発見され、1941年には窒化ニオブが16 Kで超伝導することが発見されました 。

超伝導がどのように、そしてなぜ機能するのかを解明するために多大な努力が払われてきました。重要な一歩は1933年にマイスナーとオクセンフェルトが超伝導体が印加磁場を放出することを発見したことでした。この現象はマイスナー効果として知られるようになりました。[11] 1935年、フリッツとハインツ・ロンドンは、マイスナー効果が超伝導電流によって運ばれる電磁自由エネルギーの最小化の結果であることを示しました。[12]

ロンドン構成方程式

超伝導について最初に考案された理論モデルは完全に古典的なもので、ロンドン構成方程式によって要約されています。これは、磁場が超伝導体から放出されることが発見された直後の1935年に、フリッツ・ロンドンとハインツ・ロンドン兄弟によって提唱されました。この理論の方程式の大きな利点は、マイスナー効果[11]を説明できることです。マイスナー効果では、物質が超伝導閾値を越えると、すべての内部磁場が指数関数的に放出されます。ロンドン方程式を用いることで、超伝導体内の磁場が表面までの距離にどのように依存するかを知ることができます。[13]

ロンドンによる超伝導体の2つの構成方程式は次のとおりです。

最初の方程式は、超伝導電子に関する ニュートンの第二法則から導かれます。

従来の理論（1950年代）

1950年代、理論凝縮系物理学者は、2つの注目すべき重要な理論、すなわち現象論的ギンツブルグ・ランダウ理論（1950年）と微視的BCS理論（1957年）を通じて、「従来の」超伝導についての理解に到達した。 [14] [15]

1950年、ランダウとギンツブルグは超伝導の現象論的な ギンツブルグ・ランダウ理論を考案した[16]。この理論は、ランダウの二次相転移理論とシュレーディンガー型の波動方程式を組み合わせたもので、超伝導体のマクロな特性を説明するのに大いに成功した。特に、アブリコソフは、ギンツブルグ・ランダウ理論が超伝導体を現在タイプIとタイプIIと呼ばれる2つのカテゴリーに分けられることを予測していることを示した。アブリコソフとギンツブルグは、この研究により2003年のノーベル賞を受賞した（ランダウは他の研究で1962年のノーベル賞を受賞し、1968年に亡くなった）。ギンツブルグ・ランダウ理論の4次元拡張であるコールマン・ワインベルグモデルは、量子場の理論と宇宙論において重要である。

また1950年、マクスウェルとレイノルズらは、超伝導体の臨界温度が構成元素の同位体質量に依存することを発見しました。 [17] [18]この重要な発見は、電子-フォノン相互作用が超伝導を担う微視的メカニズムであることを示唆しました。

超伝導の完全な微視的理論は、1957年にバーディーン、クーパー、シュリーファーによって最終的に提唱されました。[15]このBCS理論は、超伝導電流をクーパー対（フォノンの交換を介して相互作用する電子対）の超流動体として説明しました。この研究により、著者らは1972年にノーベル賞を受賞しました

BCS理論は1958年に、NNボゴリュボフが、もともと変分論的議論から導出されていたBCS波動関数が、電子ハミルトニアンの正準変換を用いて得られることを示したことで、より確固たる基盤を築きました。[19] 1959年、レフ・ゴルコフは、BCS理論が臨界温度付近でギンツブルグ・ランダウ理論に帰着することを示しました。[20] [21]

従来型超伝導体に対するBCS理論の一般化は、超流動現象を理解するための基礎となります。なぜなら、それらはラムダ遷移の普遍性クラスに属するからです。このような一般化が非従来型超伝導体にどの程度適用できるかについては、依然として議論の余地があります。

ニオブ

超伝導の最初の実用化は、1954年にダドリー・アレン・バックによるクライオトロンの発明によって開発されました。[22]臨界磁場の値が大きく異なる2つの超伝導体を組み合わせることで、コンピュータ要素用の高速でシンプルなスイッチが実現しました。

1911年に超伝導を発見した直後、カマーリング・オネスは超伝導巻線を持つ電磁石を作ろうとしましたが、比較的低い磁場が調査した材料の超伝導を破壊してしまうことを発見しました。その後、1955年にG・B・インテマ[23]は、超伝導ニオブ線巻線を持つ0.7テスラの小型鉄心電磁石の構築に成功しましたその後、1961年にJEクンツラー、E・ビューラー、FSLシュー、JHワーニック[24]は、4.2ケルビンにおいて、ニオブ3とスズ1からなる化合物であるニオブ-スズが、8.8テスラの磁場中で1平方センチメートルあたり10万アンペア以上の電流密度を支えることができるという驚くべき発見をしました。この合金は脆く製造が困難でしたが、ニオブ-スズは20テスラもの磁場を発生させるのに有用であることが証明されました。

1962年、TGベルリンコートとRRヘイク[25] [26]は、より延性のあるニオブとチタンの合金が10テスラまでの用途に適していることを発見しました。ニオブ-チタン超磁石線の商業生産は、ウェスティングハウス・エレクトリック・コーポレーションとワー・チャン・コーポレーションですぐに開始されましたニオブ-チタンはニオブ-スズほど優れた超伝導特性を誇りませんが、非常に高い延性と製造の容易さから、ニオブ-チタンは最も広く使用される「主力」の超磁石材料となりました。しかし、ニオブ-スズとニオブ-チタンはどちらも、MRI医療用画像装置、巨大な高エネルギー粒子加速器用の偏向・収束磁石、その他の用途に広く応用されています。欧州の超伝導コンソーシアムであるConectusは、2014年には超伝導が不可欠な世界の経済活動は約50億ユーロに達し、そのうちMRIシステムが約80%を占めると推定しています。

ジョセフソン効果

1962年、ジョセフソンは、薄い絶縁体層で隔てられた2つの超伝導体の間に超伝導電流が流れるという重要な理論的予測を行いました。[27]現在ジョセフソン効果と呼ばれるこの現象は、 SQUIDなどの超伝導デバイスによって利用されています。これは、磁束量子 Φ 0  =  h /(2 e )（hはプランク定数）の最も正確な測定に用いられています。量子ホール抵抗と組み合わせることで、プランク定数の正確な測定が可能になります。ジョセフソンはこの研究により1973年にノーベル賞を受賞しました。[28]

2008年には、超伝導を生み出すのと同じメカニズムによって、一部の材料においてほぼ無限の電気抵抗を持つ超絶縁体状態を生み出すことができると提案されました。[29] 2020年に初めて行われた超伝導ボーズ・アインシュタイン凝縮体（BEC）の開発と研究は、 BEC状態とバーディーン・クーパー・シュリーファー状態の間の「スムーズな遷移」を示唆しました。[30] [31]

2次元材料

単層材料で作られたデバイスでは、複数の種類の超伝導が報告されています。これらの材料の中には、導電性、絶縁性、その他の挙動を切り替えることができるものもあります。[32]

ねじれた物質は、原子のように振る舞い、電子を宿すタイル状の六角形セルを含む「モアレ」パターンを形成します。この環境では、電子は集団的な相互作用によって挙動を誘導できるほどゆっくりと動きます。各セルに電子が1個ずつある場合、電子は反強磁性的な配置を取ります。つまり、各電子は好ましい位置と磁気的な向きを持つことができます。それらの固有磁場は、上向きと下向きを交互に向く傾向があります。電子を追加すると、クーパー対が形成され、超伝導が可能になります。フーとシュレードは、電子対電子の作用によって反強磁性状態と超伝導状態の両方が可能になると主張しました。[33]

2D材料における最初の成功は、ねじれた二層グラフェンシート（2018年、Tc 約1.7 K、ねじれ角1.1°）でした。その後、ねじれた三層グラフェンデバイスが超伝導を示すことが示されました（2021年、Tc 約2.8 K）。続いて、ねじれのない三層グラフェンデバイスが超伝導を示すことが報告されました（2022年、Tc 1-2 K）。後者は後に調整可能であり、他の数百万通りの構成で見られる挙動を容易に再現できることが示されました。電子を材料に加えたり、電界をわずかに弱めたりしたときに何が起こるかを直接観察することで、これまでにない数のレシピを迅速にテストし、どのレシピが超伝導につながるかを調べることができます。[32]

4層および5層の菱面体グラフェンにおいて、 「カイラル超伝導」として知られる、時間反転対称性が自発的に破れた超伝導形態が最近観測されました。 [34]これらの系は超格子効果を持つことは観測されておらず、超伝導相を終了せずに2つの可能な磁気状態間を切り替えることができます。[35]これは、超伝導と磁場に関する他の観測とは大きく対照的です。

これらのデバイスは量子コンピューティングに 応用されています

グラフェン以外の2D材料も超伝導を起こすように作られています。5度ねじれた遷移金属二カルコゲナイド（TMD）シートは、ジョセフソン接合を作ることで断続的に超伝導を実現しました。使用されたデバイスは、窒化ホウ素に囲まれ保護されたテルル化タングステン層の側面にパラジウムの薄層を接続していました。[36]別のグループは、強誘電体ドメインウォールを用いた2Dファンデルワールス材料中のテルル化モリブデン（MoTe₂）で超伝導を実証しました。Tcは一般的なTMD（約5～10 K）よりも高いことが示唆されました。[37]

コーネル大学のグループは、絶縁体に3.5度のねじれを加えることで、電子の速度が低下し、強く相互作用し、セルごとに1つの電子が残ることで超伝導を示しました。既存の理論ではこの挙動は説明できません

フーと共同研究者は、電子が繰り返し結晶を形成するように配列することで、電子グリッドが背景の原子核から独立して浮遊し、電子グリッドが緩和することを提案しました。その波紋はフォノンのように電子を対にしますが、これは未確認です。

分類

超伝導体は多くの基準に従って分類されます。最も一般的なものは次のとおりです。

磁場への応答

超伝導体はタイプIに分類されます。タイプIとは、単一の臨界磁場を持ち、それを超えると超伝導は失われ、それ以下の場合は磁場が超伝導体から完全に排除されることを意味します。またはタイプIIとは、2つの臨界磁場を持ち、その間では、渦と呼ばれる孤立点[38]を介して磁場が部分的に浸透することを可能にします。[39]さらに、多成分超伝導体では、2つの動作を組み合わせることが可能です。その場合、超伝導体はタイプ1.5です。[40]

動作理論

超伝導体は、電子-フォノン相互作用によって駆動され、BCS理論またはその拡張であるエリアシュバーグ理論によって説明される場合、従来型超伝導体と呼ばれます。そうでない場合は、非従来型超伝導体と呼ばれます。[41] [42]また、超伝導秩序パラメータが系の点群または空間群の非自明な既約表現に従って変換される場合、その超伝導体は非従来型超伝導体と呼ばれます。[43]

臨界温度

超伝導体は、一般的に30K（-243.15℃）を超える温度で超伝導状態に達する場合、高温超伝導体とみなされます。 [44]これは、ゲオルク・ベドノルツとK・アレックス・ミュラーによる最初の発見に見られるようにです。[7]また、液体窒素を用いて冷却すると超伝導に転移する材料、つまりT c > 77 Kでのみ超伝導に転移する材料 を指す場合もありますが、これは通常、液体窒素冷却で十分であることを強調するためにのみ使用されます。低温超伝導体とは、臨界温度が30K未満の材料を指し、主に液体ヘリウム（T c  > 4.2 K）によって冷却されます。この規則の例外の1つは、高温超伝導体に典型的な挙動と特性を示す鉄ニクタイドグループの超伝導体ですが、このグループの中には臨界温度が30K未満のものもあります。

材料

上：超伝導元素固体の周期表と実験的臨界温度（T）。
下：超伝導二元水素化物の周期表（0～300GPa）。理論予測は青、実験結果は赤で示されている[45]

超伝導材料のクラスには、化学元素（例：水銀や鉛）、合金（ニオブ-チタン、ゲルマニウム-ニオブ、窒化ニオブなど）、セラミック（YBCOや二ホウ化マグネシウム）、超伝導ニクタイド（フッ素ドープLaOFeAsなど）、グラフェンや遷移金属二カルコゲニドなどの単層材料[46]、または有機超伝導体（フラーレンやカーボンナノチューブ。ただし、これらの例は完全に炭素で構成されているため、化学元素に含めるべきかもしれません。 [47] [48]）が含まれます。

基本的性質

超伝導体のいくつかの物理的特性は、臨界温度、超伝導ギャップの値、臨界磁場、超伝導が破壊される臨界電流密度など、材料によって異なります。一方、基礎となる材料に依存しない特性のクラスがあります。マイスナー効果、磁束または永久電流の量子化、すなわちゼロ抵抗状態は最も重要な例です。これらの「普遍的な」特性の存在は、超伝導体の対称性の破れと、非対角長距離秩序の出現という性質に根ざしています。超伝導は熱力学的相であり、したがって、微視的な詳細とはほとんど関係のない特定の特徴的な特性を持っています。非対角長距離秩序は、クーパー対の形成と密接に関連しています。

ゼロの直流電気抵抗

CERNの加速器用電気ケーブル。太いケーブルと細いケーブルの両方の定格は12,500Aです。上：LEP用の通常のケーブル、下：LHC用の超伝導ベースのケーブル
放棄されたテキサス超伝導超大型加速器（SSC）の成形済み超伝導棒の断面

ある物質のサンプルの電気抵抗を測定する最も簡単な方法は、電流源Iと直列に電気回路に配置し、サンプル両端に生じる電圧Vを測定することです。サンプルの抵抗はオームの法則によりR = V / Iで表されます。電圧がゼロの場合、抵抗もゼロであることを意味します

超伝導体は、電圧を全く印加せずに電流を維持することもでき、この特性はMRI装置に見られるような超伝導電磁石で利用されています。実験では、超伝導コイルの電流は測定可能な劣化なしに何年も持続できることが実証されています。実験的証拠は、少なくとも10万年の寿命を示しています。永久電流の寿命に関する理論的推定は、電線の形状と温度に応じて、宇宙の推定寿命を超える可能性があります。[5]実際には、超伝導コイルに注入された電流は、1995年8月4日から2024年3月31日まで、ベルギーの超伝導重力計で28年7ヶ月27日間持続しました。[49] [50]このような機器では、質量4グラムの超伝導ニオブ球の浮遊を監視することで測定が行われます

通常の導体では、電流は重いイオン格子を横切る電子の流体として視覚化できます。電子は格子内のイオンと絶えず衝突しており、衝突のたびに電流によって運ばれるエネルギーの一部は格子に吸収され、熱に変換されます。熱は本質的に格子イオンの振動運動エネルギーです。その結果、電流によって運ばれるエネルギーは常に散逸しています。これが電気抵抗とジュール熱の現象 です

超伝導体では状況が異なる。従来の超伝導体では、電子流体を個々の電子に分解することはできない。その代わりに、クーパー対と呼ばれる結合した電子対で構成される。この対形成は、フォノンの交換による電子間の引力によって生じる。この対形成は非常に弱く、小さな熱振動で結合が破壊される可能性がある。量子力学により、このクーパー対流体のエネルギースペクトルにはエネルギーギャップがあり、流体を励起するためには供給しなければならない最小量のエネルギー Δ Eがあることを意味する。したがって、 Δ E がkTで示される格子の熱エネルギー（ kはボルツマン定数、Tは温度）よりも大きい場合、流体は格子によって散乱されない。[51]クーパー対流体は超流体であり、エネルギーを消散させることなく流れることができることを意味する。

既知のすべての高温超伝導体を含む、第2種超伝導体として知られる超伝導体クラスでは、電流を強い磁場（電流によって引き起こされる可能性がある）と組み合わせて流すと、公称超伝導転移よりそれほど低くない温度で、極めて低いがゼロではない抵抗率が現れます。これは、電子超流体中の磁気渦の動きによるもので、電流によって運ばれるエネルギーの一部を消散させます。電流が十分に小さい場合、渦は静止し、抵抗率はゼロになります。この効果による抵抗は、非超伝導材料の抵抗と比較してごくわずかですが、高感度実験では考慮する必要があります。しかし、温度が公称超伝導転移より十分に低くなると、これらの渦は「渦ガラス」と呼ばれる無秩序だが静止した相に凍結する可能性があります。この渦ガラス転移温度以下では、材料の抵抗は真にゼロになります。

相転移

超伝導相転移における熱容量（cv、青）と抵抗率（ρ 、緑）の挙動

超伝導材料では、温度T が臨界温度T c未満に低下したときに超伝導の特性が発現する。この臨界温度の値は材料ごとに異なる。従来の超伝導体の臨界温度は通常、約 20  Kから1 K 未満の範囲である。たとえば固体水銀の臨界温度は 4.2 K である。2015 年現在、従来の超伝導体で発見された最高の臨界温度は H 2 S の 203 K であるが、約 90 ギガパスカルの高圧が必要であった。[52] 銅酸塩超伝導体は、はるかに高い臨界温度を持つことができ、最初に発見された銅酸塩超伝導体の 1 つであるYBa 2 Cu 3 O 7の臨界温度は 90 K を超え、水銀ベースの銅酸塩では 130 K を超える臨界温度が見つかっている。高い臨界温度の原因となる基本的な物理的メカニズムはまだ明らかになっていません。しかし、2電子対形成が関与していることは明らかであるが、その対形成の性質（波対波）については議論の余地がある。[53]

同様に、臨界温度未満の一定の温度では、臨界磁場よりも強い外部磁場を印加すると、超伝導材料は超伝導を停止します。これは、超伝導相のギブス自由エネルギーが磁場の2乗で増加するのに対し、通常相の自由エネルギーは磁場とほぼ無関係であるためです。材料が磁場なしで超伝導する場合、超伝導相の自由エネルギーは通常相の自由エネルギーよりも低いため、磁場のある有限の値（ゼロ磁場における自由エネルギーの差の平方根に比例）に対して、2つの自由エネルギーは等しくなり、通常相への相転移が起こります。より一般的には、温度が高く磁場が強いほど、超伝導である電子の割合が少なくなり、その結果、外部磁場と電流のロンドン浸透深度が長くなります。浸透深度は相転移で無限大になります。

超伝導の発現は、様々な物理的特性の急激な変化を伴い、これは相転移の特徴です。例えば、電子の熱容量は、通常（非超伝導）状態では温度に比例します。超伝導転移では、不連続なジャンプを起こし、その後は線形ではなくなります。低温では、ある定数αに対して、 e − α / Tのように変化します。この指数関数的な挙動は、 エネルギーギャップの存在を示す証拠の一つです

超伝導相転移の順序は長い間議論の的となってきました。実験では、転移は二次的であり、潜熱がないことが示されています。しかし、外部磁場が存在すると潜熱が発生します。これは、超伝導相は臨界温度以下では常伝導相よりもエントロピーが低いためです。その結果、磁場を臨界磁場を超えて増加させると、結果として生じる相転移によって超伝導材料の温度が低下することが 実験的に実証されています[54]

1970年代の計算では、電磁場の長距離変動の影響により、実際には弱い一次転移である可能性があることが示唆されました。1980年代には、超伝導体の渦糸線が主要な役割を果たす無秩序場理論を用いて、転移はタイプII領域内では二次転移、タイプI領域内では一次転移（すなわち潜熱）であり、2つの領域は三重臨界点によって分離されていることが理論的に示されました。[55]これらの結果は、モンテカルロコンピュータシミュレーションによって強く裏付けられました。[56]

マイスナー効果

NdFeB磁石（金属）を備えた高温超伝導体（ブラックペレット）におけるマイスナー効果

超伝導体を弱い外部磁場Hの中に置き、転移温度以下に冷却すると、磁場は放出されます。マイスナー効果では磁場は完全に放出されるのではなく、磁場は超伝導体を非常に小さな距離までしか浸透しません。この距離は ロンドン侵入深度と呼ばれるパラメータλで特徴付けられ、物質内部で指数関数的にゼロまで減衰します。マイスナー効果は超伝導を定義する特性です。ほとんどの超伝導体では、ロンドン侵入深度は約100nmです。

マイスナー効果は、完全な電気伝導体で予想されるような反磁性と混同されることがあります。レンツの法則によれば、変化する磁場が導体に印加されると、導体内に電流が誘導され、反対の磁場が生成されます。完全な伝導体では、任意の大きさの電流を誘導することができ、結果として生じる磁場は印加された磁場を正確に打ち消します

マイスナー効果はこれとは異なります。マイスナー効果は超伝導への転移中に起こる自発的な放出です。一定の内部磁場を含む常温の物質があるとします。物質を臨界温度以下に冷却すると、内部磁場の急激な放出が観測されますが、これはレンツの法則に基づいては予想されません

マイスナー効果は、フリッツ・ロンドンとハインツ・ロンドン兄弟によって現象論的に説明され、彼らは、 Hが磁場、λがロンドン浸透深度 の場合に超伝導体の電磁気的自由エネルギーが最小化されることを示した。

ロンドン方程式として知られるこの方程式は、超伝導体中の磁場は表面での値から 指数関数的に減少することを予測します。

内部に磁場がほとんどまたは全くない超伝導体は、マイスナー状態にあると言われています。マイスナー状態は、印加磁場が大きすぎると破壊されます。この破壊がどのように起こるかによって、超伝導体は 2 つのクラスに分けられます。タイプ I 超伝導体では、印加磁場の強度が臨界値H cを超えると、超伝導は突然破壊されます。サンプルの形状によっては、磁場を帯びた通常の物質の領域と磁場を含まない超伝導物質の領域が混在したバロックパターン[58]からなる中間状態[57]が得られます。タイプ II 超伝導体では、印加磁場を臨界値H c1以上に上げると、混合状態 (渦状態とも呼ばれる) になり、物質を貫通する磁束の量は増加しますが、電流が大きすぎない限り電流の流れに対する抵抗は残りません。2 番目の臨界磁場強度H c2で、超伝導は破壊されます。混合状態は実際には電子超流体中の渦によって引き起こされ、これらの渦によって運ばれる磁束は量子化されているため、フラクソンと呼ばれることもあります。ニオブとカーボンナノチューブを除くほとんどの純粋な元素超伝導体はタイプIですが、ほとんどすべての不純超伝導体と複合超伝導体はタイプIIです。

ロンドンモーメント

逆に、回転する超伝導体は、回転軸と正確に一致する磁場を生成します。この効果、ロンドンモーメントは、重力探査機Bで有効活用されました。この実験では、4つの超伝導ジャイロスコープの磁場を測定し、それらの回転軸を決定しました。これは、特徴のない球体の回転軸を正確に決定できる数少ない方法の1つであるため、実験にとって非常に重要でした。

高温超伝導

現在最も実用的な高温超伝導体の1つであるビスマスストロンチウムカルシウム銅酸化物（BSCCO）のサンプル。注目すべきは、希土類元素を含まないことです。BSCCOは、ビスマスとストロンチウムをベースとした銅酸化物超伝導体です。動作温度が高いため、銅酸化物は現在、より一般的なニオブベースの超伝導体や二ホウ化マグネシウム超伝導体の競合相手になりつつあります。

高温超伝導（高温超伝導またはHTS）は、臨界温度（その温度以下では物質が超伝導体として振舞う温度）が77 K（-196.2 °C、-321.1 °F）（液体窒素の沸点）を超える物質の超伝導である。[59]これらは、絶対零度に近い温度でのみ機能する既知の超伝導体と比較して「高温」であるに過ぎない。最初の高温超伝導体は、1986年にIBMの研究者であるゲオルク・ベドノルツとK・アレックス・ミュラーによって発見された。[60] [61]臨界温度は約35.1 K（-238.1 °C、-396.5 °F）であるが、この物質はチン・ウー・チューによって改良され、臨界温度93 K（-180.2 °C、-292.3 °F）の最初の高温超伝導体が作られた。[62]ベドノルツとミュラーは1987年に「セラミック材料における超伝導の発見における重要なブレークスルー」によりノーベル物理学賞を受賞しました。 [63]ほとんどの高温超伝導体は第二種超伝導体です。

高温超伝導体の主な利点は、液体窒素を用いて冷却できることです。[60]これは、高価で取り扱いが難しい冷却剤、主に液体ヘリウムを必要とする従来の超伝導体とは対照的です。高温超伝導体の2つ目の利点は、従来の材料よりも高い磁場でも超伝導性を維持することです。これは、高温超伝導体の主な用途である超伝導磁石を構築する際に重要です。

高温超伝導体の大部分は、従来の金属材料ではなく、セラミックですセラミック超伝導体はいくつかの実用的な用途に適していますが、製造上の問題に直面しています。例えば、ほとんどのセラミックは脆く、ワイヤの製造を複雑にします。[64]

高温超伝導体の主なクラスは、他の金属と結合した銅酸化物、特にイットリウムバリウム銅酸化物（YBCO）などの希土類バリウム銅酸化物（REBCO）です。実用的な分類における高温超伝導体の2番目のクラスは、鉄基化合物です。[65] [66]二ホウ化マグネシウムは高温超伝導体に含まれることがあります。製造は比較的簡単ですが、39 K（-234.2 °C）以下でしか超伝導を示さないため、液体窒素冷却には適していません。

用途

YBCOの超伝導浮遊のビデオ

超伝導体は、電子技術、スピントロニクス技術、量子技術の基本的な回路要素を考案するための有望な候補材料です。その一例が超伝導ダイオードです。[67]超伝導電流が一方向にのみ流れるダイオードは、損失のない超伝導技術と半導体-超伝導ハイブリッド技術を約束します

超伝導磁石は、最も強力な電磁石の一つとして知られています。MRI / NMR装置、質量分析計、粒子加速器で使用されるビームステアリング磁石、一部のトカマクのプラズマ閉じ込め磁石に使用されています。また、顔料産業のように、弱い磁性粒子を磁性の低い粒子または非磁性粒子の背景から抽出する磁気分離にも使用できます。また、大型風力タービンで高電流による制限を克服するために使用することもでき、デンマークでは産業グレードの3.6メガワット超伝導風力発電機の試験に成功しています。[68]

1950年代と1960年代には、超伝導体はクライオトロンスイッチを用いた実験的なデジタルコンピュータの構築に使用されました。[69]最近では、超伝導体は高速単一磁束量子技術に基づくデジタル回路や、携帯電話基地局 のRFおよびマイクロ波フィルターの製造に使用されています

超伝導体は、最も高感度な磁力計として知られるSQUID （超伝導量子干渉素子）の構成要素であるジョセフソン接合の構築に用いられます。SQUIDは、走査型SQUID顕微鏡や脳磁図計測に用いられています。一連のジョセフソン素子は、 SIボルトの実現に用いられます。超伝導光子検出器[70]は、様々な素子構成で実現可能です。特定の動作モードに応じて、超伝導体-絶縁体-超伝導体ジョセフソン接合は、光子検出器またはミキサーとして用いることができます。常伝導状態から超伝導状態への遷移における大きな抵抗変化は、極低温マイクロカロリメータ光子検出器の温度計を構成するために利用されています。同じ効果は、超伝導材料で作られた超高感度ボロメータにも利用されています。超伝導ナノワイヤ単一光子検出器は、高速かつ低ノイズの単一光子検出を可能にし、高度な光子計数アプリケーションで広く利用されています。[71]

高温超伝導に基づくデバイスの相対的な効率、サイズ、重量の利点が、それに伴う追加コストを上回る、他の初期市場も出現しています。例えば、風力タービンでは、超伝導発電機の軽量化と小型化により、建設費とタワーコストを削減でき、発電機の高コストを相殺し、均等化発電原価（LCOE）を下げることができます。[72]

将来有望な用途としては、高性能スマートグリッド、電力送電、変圧器、電力貯蔵装置、小型核融合発電装置、電動機（例：真空列車や磁気浮上列車などの車両推進用）、磁気浮上装置、故障電流制限器、超伝導材料によるスピントロニクス装置の強化、[73]および超伝導磁気冷凍などがある。しかし、超伝導は移動する磁場の影響を受けやすいため、交流を使用する用途（例：変圧器）は直流に依存する用途よりも開発が困難になる。従来の電力線と比較して、超伝導送電線はより効率的で、必要なスペースはほんのわずかであるため、環境性能が向上するだけでなく、電力網の拡張に対する社会受容性も向上する可能性がある。[74]もう1つの魅力的な産業的側面は、低電圧で大電力を送電できることである。[75]冷却システムの効率向上と液体窒素などの安価な冷媒の使用により、超伝導に必要な冷却コストも大幅に削減されました。

ノーベル賞

2022年現在、超伝導関連の分野で5つのノーベル物理学賞が授与されています。

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  • Lebed, AG (2008).有機超伝導体と導体の物理学. 第110巻（第1版）. Springer. ISBN 978-3-540-76667-4。
  • Matricon, Jean; Waysand, Georges; Glashausser, Charles (2003).冷戦：超伝導の歴史. Rutgers University Press. ISBN 978-0-8135-3295-0。
  • 「物理学者が異例の超伝導を発見」ScienceDaily、2006年8月17日
  • ティンカム、マイケル（2004年）『超伝導入門（第2版）』ドーバーブックス、ISBN 978-0-486-43503-9。
  • ティプラー、ポール、ルウェリン、ラルフ（2002年）『現代物理学（第4版）』WHフリーマン、ISBN 978-0-7167-4345-3。
  • オマホニー、シェーン・M.、オックスフォード大学 (2022). 「銅酸化物高温超伝導の電子対形成機構について」.米国科学アカデミー紀要. 119 (3​​7) e2207449119. arXiv : 2108.03655 . Bibcode : 2022PNAS..11907449O. doi : 10.1073/pnas.2207449119 . PMC  9477408. PMID  36067325.
  • チャーリー・ウッド、Quanta Magazine (2022). 「高温超伝導の解明がついに始まった」.
Wikiquoteに超伝導に関する引用があります
  • 第一種超伝導体に関するビデオ：R=0/転移温度/Bは状態変数/マイスナー効果/エネルギーギャップ(Giaever)/BCS模型
  • 超伝導に関する講義（ビデオシリーズ、第一線の専門家へのインタビューを含む）
  • YouTubeビデオ 浮遊磁石
  • DoITPoMS教育学習パッケージ - 「超伝導」
  • 古典的な文脈におけるシュレーディンガー方程式：超伝導セミナー - ファインマン物理学講義