発見から100年以上経つが、超伝導の謎はいまだ解明できていない

The Conversation
投稿日
2023年10月8日 6:17
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1911年4月8日、オランダの物理学者Heike Kamerlingh Onnesは、台所のノートに鉛筆でほとんど意味不明のメモを走り書きした:”ほぼゼロに近い(near enough null)”。

そのメモとは、後に超伝導の発見として評価されることになる画期的な実験中に彼が測定した電気抵抗のことであった。しかし、その前に、彼と彼のチームは、この測定を確認するためにさらに多くの実験を行う必要があった。

彼らの発見は、潜在的な科学的応用の世界を切り開いた。それ以来、100年の間に多くの進歩が見られたが、今日の超伝導研究者は、ノーベル賞を受賞したOnnesのオリジナルな研究から教訓を得ることができる。

私は常に起源物語に興味を持ってきた。物理学の教授として、また物理学の歴史に関する本の著者として、私は偉大な発見の裏に潜む紆余曲折やセレンディピティといった興味深い裏話を探している。

Onnesの実験から学んだいくつかの教訓は、いつの日か室温付近で動作する新しい超伝導体を探す研究者たちにとって、今日でも重要な意味を持ち続けている。

超伝導

超伝導線材に抵抗なく電流を流すことを可能にする稀な量子効果である超伝導は、無数の科学的応用を可能にする。MRI装置や強力な粒子加速器などである。

摩擦のないワイヤーに張られたガラスビーズの列に、ひと押しすることを想像してみてほしい。ビーズがワイヤーを動き始めると、永久運動マシンのように止まることはない。これが超伝導の背後にあるアイデアだ。

超伝導体が機能するためには、北極の爆風よりも冷たい超低温に冷却する必要がある。こうして、ヘリウムを絶対零度近くまで冷却するOnnesの独創的な研究が、超伝導という思いがけない発見の舞台となったのである。

発見

オランダのライデン大学の物理学教授であったOnnesは、20世紀の最初の10年間に世界有数の低温物理学研究所を建設した。

彼の研究室は、気体を膨張させ冷却することで、ヘリウムを気体から液体に変えた最初の研究者である。彼の研究室は、この方法でヘリウムを華氏マイナス452度(摂氏マイナス269度)まで冷却することに成功した。

Onnesは次に、この低温における金属の電気伝導性の研究を始めた。液体状の水銀は電気を通すため、ガラス管への充填が容易である。低温になると水銀は固まり、金属ワイヤーができる。

1911年4月8日、彼の研究室の技術者たちは、液体ヘリウムを測定用のクライオスタット(部屋の熱を遮断する真空ジャケット付きのガラス容器)に移した。彼らはヘリウムを華氏マイナス454度(摂氏マイナス270度)まで冷却し、水銀線に微小電流を流して電圧を測定することにより、水銀線の電気抵抗を測定した。

その時、Onnesはキッチンノートに「near enough null」という謎めいた測定値を書き込んだ。

この4月8日という日付は、しばしば超伝導の発見として引用されるが、全容はそれほど単純ではない。科学者たちは、走り書きの「near enough null」を新発見の十分な証拠とは認めないからである。

証拠を求めて

Onnesのチームは6週間以上後の5月23日に次の実験を行った。この日、彼らはクライオスタットを再び華氏マイナス454度(摂氏マイナス270度)まで冷却し、その後ゆっくりと温度を上昇させた。

最初は、超伝導を示す電気抵抗はほとんど測定されなかった。抵抗は華氏マイナス452度まで小さいままであったが、温度がほんの1度上昇しただけで、突然400倍以上も上昇した。

あまりに急激で予想外の上昇であったため、彼らは温度シフトによって引き起こされた可能性のある何らかの電気的欠陥や開回路を探し始めた。しかし、異常は見つからなかった。彼らはさらに5ヶ月かけてシステムを改良し、再挑戦した。10月26日、彼らは実験を繰り返し、先の抵抗の急激な上昇を捉えた。

その1週間後、Onnesはこの結果を第1回ソルベイ会議で発表し、2年後、低温での研究全般が評価されたが、特に超伝導については評価されず、ノーベル物理学賞を受賞した。

Onnesが反論の余地のない証拠を手にするまでには、さらに3年間の熱心な研究が必要だった:彼は1914年4月24日、減衰しない持続電流を測定し、真のゼロ抵抗と超伝導を実証したのである。

臨界温度の新境地

Onnesの発見から数十年、多くの研究者が過冷却温度で金属がどのように作用するかを探求し、超伝導についてさらに多くのことを学んだ。

しかし、研究者が超低温でしか超伝導を観測できないのであれば、有用なものを作るのは難しい。華氏マイナス400度(摂氏マイナス240度)でしか動作しないのでは、実用的な機械を動かすにはコストがかかりすぎる。

そこで科学者たちは、実用的な温度で動作する超伝導体を探し始めた。例えば、スイスのIBM研究所のK. Alex MüllerとJ. Georg Bednorzは、LBCOとして知られるランタン・バリウム・銅酸化物のような金属酸化物が良い候補になることを突き止めた。

IBMのチームは、LBCOに超伝導を見出すのに3年ほどかかった。しかし、1986年に華氏マイナス397度(摂氏マイナス238度)で超伝導が観測され、彼らの研究は新記録を打ち立てた。

1年後の1987年、ヒューストンの研究所は、LBCOのランタンをイットリウムに置き換え、YBCOを作り出した。この発見によりYBCOは、安価な液体窒素に浸した状態でも動作するため、初の実用的な超伝導体となった。

それ以来、研究者たちは華氏-164度(摂氏-109度)という高温での超伝導を観測してきたが、室温超伝導体の実現は依然として困難であった。

2023年、2つのグループ(12)が常温超伝導の証拠を掴んだと主張したが、どちらの報告も鋭い懐疑的な目で見られ、さらなる精査の結果、どちらも宙ぶらりんの状態になっている。

超伝導は、金属によっては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。このような発見には時間と忍耐が必要であり、最も重要なことは電流が止まらないことを証明することである。


本記事は、David D. Nolte氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「Superconductivity at room temperature remains elusive a century after a Nobel went to the scientist who demonstrated it below -450 degrees Fahrenheit」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。



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