もしあなたが2023年以前に超伝導について聞いたことがなかったとしても、今では超伝導が何であるか知っている可能性は高い。ロチェスター大学の研究者が発表した論文のひとつは、11月に『Nature』誌によって著者の意向により撤回された。
しかし、室温で動作する超伝導体、つまり抵抗なしに電気を伝導できる物質を探すことは、目新しいことではない。
現在、超伝導体は非常に低温でしか動作しない。そのため、低温室に保管することなく室温で動作するものが見つかれば、送電網や医療機器から量子コンピューティングまで、あらゆるものに革命をもたらす可能性がある。しかし、物理学者たちはまず、超伝導体の作り方を解明しなければならない。
オランダの物理学者が20世紀初頭に超伝導現象を発見して以来、世界中の研究所が、より高温で超伝導状態になる物質をテストしてきた。
では、これらの材料はどのようにして抵抗なく電気を通すことができるのだろうか？また、超伝導体の研究は年々進歩しており、どのような技術の可能性が待ち受けているのだろうか？The Conversationのアーカイブから、この驚くべき物理現象の歴史、科学、そして未来を探る3つのストーリーを紹介しよう。
1.現象の背後にある物理学
超伝導の基礎となる電気抵抗ゼロの電流を発生させることは、どのようにして可能なのだろうか？そのためには、導電性の金属を冷たく保たなければならない。本当に冷たく。零下何百度のレベルにだ。
「通常の温度では、電子はやや不規則な経路で動く。ロチェスター工科大学の物理学者、Mishkat Bhattacharya氏はこう書いている。「この衝突が電子の流れを妨げ、抵抗となり、物質を加熱するのです」。
通常、すべての原子の原子核は絶えず振動しており、互いにぶつかり合うこともある。超伝導物質では、電流中の電子が超伝導金属中の原子核と同じ周波数で振動しながら原子から原子へと通過する。つまり、電子は衝突して熱を発生させるのではなく、滑らかで協調的な動きをするのだ。そして、この協調的な動きを可能にするのが低温なのだ。
2.超電導の100年
水銀は、1911年にHeike Kamerlingh Onnesによって発見された最初の超伝導物質である。彼のチームは、効果を観察するために液体ヘリウムを華氏-454度（摂氏-270度）まで冷却しなければならなかった。彼らは水銀でできたワイヤーを使って電流を流し、電気抵抗の影響を “ほぼゼロ”として測定した。
Onnesと彼のチームは、観察された効果が実際に超伝導であることを確認するために何度も実験を繰り返し、また、電気的な欠陥や開放電流など、この効果について説明できる他のあらゆる可能性を検討した。しかし、彼らは同じ結果を発見し続け、3年間のテストの後、Onnesは本当に抵抗ゼロの電流を実証することができた。
「超伝導は、いくつかの金属が超伝導体であるかのように見せかけることができるため、証明するのが常に厄介であった」と、科学史の本の著者であり、パデュー大学の物理学者であるDavid D. Nolteは書いている。「これらの発見には時間と忍耐が必要であり、そして最も重要なことは、決して止まらない電流を証明することである」。
3.超伝導の未来
未来の常温超伝導体の最も重要な用途のひとつは、電子機器から出る無駄な熱を減らすことだろう。携帯電話やコンピューターのような電子機器がより速く、より効率的に動くようになるだけでなく、より大規模なものでは、送電網、送電線、データセンターが無駄な熱を減らすことができる。これは環境にとって大きな勝利となるだろう。
ニューヨーク州立大学ビンガムトン校の物理学者Pegor Aynajian氏は、「もし常温超伝導体の製造に成功すれば、発電所から都市へのエネルギー伝送にかかる何十億ドルもの無駄な熱に対処できる」と書いている。「世界中の広大な空の砂漠で収穫された太陽エネルギーは、エネルギーを失うことなく貯蔵され、送電される可能性がある」。
スイスのIBMの科学者たちによって発見されたセラミックのような材料から作られる超伝導体の一種は、室温超伝導体へのひとつの道となりうる。すでに、この種の材料は、Onnesが発明した水銀線のような従来の超伝導体よりも-300F（-184C）に近い、より高温（それでも極低温）で動作することが示されている。
しかし、室温超伝導体はエレクトロニクスとエネルギー伝送に革命をもたらす可能性がある一方で、適切な材料はまだ見つかっていない。Aynajian氏が言うように、室温超伝導体は文字通り “次の100万ドルの問題”なのだ。
コメントを残す