超伝導体

スマホを長く使うと、背面が温かくなりますよね。電線の中を走る電子が、物質内部の原子に絶えずぶつかって摩擦熱を生むからです。このように電子の流れを邪魔する力を電気抵抗と呼びます。この抵抗のせいで、発電所でつくった電気の一部(韓国では3〜4%前後)が、家に届く前に熱になって消えてしまいます。

ところが超伝導体の中では、驚くことが起こります。物質をものすごく冷やすと、ある瞬間に電子を邪魔していた抵抗がうそのようにきれいさっぱり消えるのです。電子が何にも邪魔されず、氷の上を滑るように通り抜けていきます。つまり、熱がまったく出ないまま電気抵抗がきっちり0になる状態に到達するわけです。

超伝導体で丸い輪をつくり、一度電気を流したらどうなるでしょう。電池を外しても、電流はエネルギーを失わず、何年も止まらずに回り続けます。これを永久電流と呼びます。非常に強い電流を、エネルギーを無駄にせず流せるのです。

超伝導体と聞くと、磁石の上に宙に浮いている不思議な姿を真っ先に思い浮かべる方が多いでしょう。単に磁石どうしが反発しているだけだと思われがちですが、実はもっと特別な仕組みが隠れています。超伝導体は、外から近づいてくる磁場を体の外へ押し出す性質を持っているのです。

普通の金属に磁石を近づけると、磁場は物質の内部をそのまま通り抜けます。一方、超伝導体は温度が下がった瞬間に、内部にあった磁場を外へ追い出し、外からの磁場が入り込まないよう遮ります。ただし、磁場が強くなると一部が細い束になって染み込むタイプ(第2種超伝導体)も多くあります。この現象は1933年にマイスナーとオクセンフェルトが共同で発見したもので、マイスナー効果(マイスナー=オクセンフェルト効果)と呼ばれます。

それどころか超伝導体は、磁石の上で押し返されるだけでなく、一定の距離を保ったまま空中にがっちり固定されることもあります。このように固定されるのは、反発力だけでなく、磁力線の一部が超伝導体の中に捕まってしまう磁束ピンニングのためです。ちなみに、JR東海の超電導リニアや病院のMRI(磁気共鳴画像)装置は、この浮上現象ではなく、抵抗がゼロだからこそ非常に強い電流を流せて強力な電磁石をつくれるという点を利用しています。

もう少し正確にいうと、超伝導は、ミクロの世界の量子力学の法則が、私たちの目の前の大きな世界にそのまま現れる現象です。もともと電子どうしは同じ負の電荷(-)を持っているので、強く反発し合います。ところが、とても低い温度では意外なことが起こります。電子が通ると、周りの陽イオンが引き寄せられて、一瞬プラスの電荷が集まった場所ができます。その場所が後ろから来る電子を引き寄せ、2つの電子がペアになるのです。物質の振動はペアづくりの邪魔者ではなく、むしろペアを結ぶ仲人の役割を果たしているわけです。この説明は従来型の超伝導体にはあてはまりますが、臨界温度の高い銅酸化物超伝導体で電子がペアになる仕組みは、まだ完全には解明されていません。

こうしてペアになった電子をクーパー対と呼びます。1つだけで動く電子は周りの原子に簡単にぶつかりますが、2つで手をつないだクーパー対は、まるで1つの大きな波のようにそろって動きます。そのため、障害物が現れてもぶつからず、なめらかによけながら、抵抗なく進めるのです。

問題は、このクーパー対がとても弱い結びつきで、周りが少し温まるだけで簡単に壊れてしまう点です。超伝導が現れる限界の温度を臨界温度と呼び、ほとんどは零下100度以下の極低温です。世界中の科学者が、高価な冷却装置なしで日常の温度でも働く室温超伝導体を懸命に探しているのは、まさにこのためです。