超伝導体のリストとその仕組み
はじめに
超伝導は、ある物質が臨界温度以下に冷却されると電気抵抗がゼロになり、磁場が放出されるという、物理学における魅力的な現象である。そのため、医療用画像処理、エネルギー貯蔵、輸送など、さまざまな用途に欠かせないものとなっている。それでは、超伝導物質の10の例を用いて、超伝導の仕組みについて説明しよう。
超電導体の仕組み
超伝導は、物質の電子が対になってクーパー対と呼ばれるものを形成するときに起こる。これらのペアは散乱することなく物質中を移動し、これが電気抵抗の原因となる。銅やアルミニウムのような通常の導体では、電子は原子と衝突する際に抵抗を受け、その結果エネルギーが失われる。しかし超伝導体では、材料が臨界温度以下に冷却されると、この抵抗のない電流が流れる現象が起こり、エネルギーが損失することなく移動できるようになる。
量子レベルでは、超伝導はBCS理論（バーディーン、クーパー、シュリーファー）によって説明される。この理論では、電子と結晶格子の振動との相互作用によってクーパー対が形成されることを説明する。これらの対は散乱することなく集合的に移動し、エネルギーを散逸させることなく電気を伝導することができる。
超伝導体の特性
超伝導体には、他の物質とは一線を画すユニークな特性がある：
図1 超伝導体の臨界温度[1］
- 電気抵抗ゼロ：超電導体の最も重要な特性は、電気が抵抗なく流れることで、送電中のエネルギー損失をなくすことができる。
- マイスナー効果：超伝導体は、超伝導状態に移行する際に内部から磁場を放出するマイスナー効果を示す。この現象により、磁気浮上などの応用が可能になる。
- 臨界温度（Tc）：各超伝導体には、超伝導を示す臨界温度がある。この温度は材料によって異なる。例えば、一部の高温超電導体の臨界温度は、液体窒素の沸点（-196℃）以上である。
- 量子浮遊：超伝導体は、超伝導体が吐き出す磁場と磁石が発生させる磁場との相互作用により、磁石の上に浮遊することができる。この原理は磁気浮上列車のような技術に利用されている。
- 高い電流容量：超電導体は、従来の導体よりもはるかに大きな電流を流すことができるため、粒子加速器のような高エネルギー用途に理想的である。
超電導体の10の例
[2]
- ニオブ(Nb) ニオブは、臨界温度が9.25 Kと比較的高く、MRI装置や粒子加速器などの実用的な用途に使用しやすいことから、最も一般的に使用されている超伝導体の一つである。
- イットリウムバリウム銅酸化物（YBCO）YBCOは臨界温度が約93Kの高温超電導体で、電力ケーブルや磁気シールドなど電力産業での用途に最適です。
- 二ホウ化マグネシウム (MgB2)臨界温度39Kの二ホウ化マグネシウムは、比較的安価な超電導体である。電子機器、エネルギー貯蔵、MRI技術に応用されている。
- 鉛（Pb）鉛は、超伝導を示すことが発見された最初の物質のひとつである。臨界温度は7.2Kで、様々な科学実験や低温を必要とする用途に使用されている。
- ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物（BSCCO）BSCCOも高温超伝導体で、臨界温度は約108K。
- 鉄系超電導体鉄系超電導体は、2008年に発見された比較的新しいクラスで、臨界温度が高く、エレクトロニクスやエネルギー応用の可能性があることで知られている。
- タングステン(W) タングステンは、非常に低い温度で超伝導を示す高密度材料であり、高磁場磁石を含む特定のニッチ用途に有用である。
- バナジウム・ガリウム (V3Ga)バナジウム・ガリウムは、臨界温度が13.8Kと比較的高い超伝導体である。
- 酸化銅（CuO）酸化銅は、液体窒素の温度である77K以上で動作する高温超電導体の一例である。最先端の電気・電子機器に使用されている。
- ランタンストロンチウム銅酸化物（LSCO）LSCOは高温超伝導体の一種であり、エネルギーの損失が少ないデバイスなど、研究や電子工学に応用されている。
超電導体のリスト
超電導体の一般的な例をまとめた表です。より詳細な情報や例については、スタンフォード先端材料（SAM）をご覧ください。
|
物質名 |
クラス |
TC (K) |
HC (T) |
種類 |
|
Al |
エレメント |
1.20 |
0.01 |
I |
|
Bi |
元素 |
5.3×10-⁴ |
5.2×10-⁶ |
I |
|
カドミウム |
エレメント |
0.52 |
0.0028 |
I |
|
ダイヤモンド：B |
元素 |
11.4 |
4 |
II |
|
ガ |
元素 |
1.083 |
0.0058 |
I |
|
元素 |
0.165 |
- |
I |
|
|
α-Hg |
元素 |
4.15 |
0.04 |
I |
|
β-Hg |
元素 |
3.95 |
0.04 |
I |
|
In |
エレメント |
3.4 |
0.03 |
I |
|
Ir |
元素 |
0.14 |
0.0016 |
I |
|
α-La |
元素 |
4.9 |
- |
I |
|
β-La |
元素 |
6.3 |
- |
I |
|
Li |
要素 |
4×10-⁴ |
- |
I |
|
Mo |
元素 |
0.92 |
0.0096 |
I |
|
元素 |
9.26 |
0.82 |
II |
|
|
オス |
元素 |
0.65 |
0.007 |
I |
|
Pa |
エレメント |
1.4 |
- |
I |
|
Pb |
元素 |
7.19 |
0.08 |
I |
|
エレメント |
2.4 |
0.03 |
I |
|
|
Rh |
元素 |
3.25×10-⁴ |
4.9×10-⁶ |
I |
|
Ru |
エレメント |
0.49 |
0.005 |
I |
|
Si:B |
元素 |
0.4 |
0.4 |
II |
|
Sn |
元素 |
3.72 |
0.03 |
I |
|
エレメント |
4.48 |
0.09 |
I |
|
|
Tc |
元素 |
7.46-11.2 |
0.04 |
II |
|
α-Th |
元素 |
1.37 |
0.013 |
I |
|
Ti |
元素 |
0.39 |
0.01 |
I |
|
Tl |
元素 |
2.39 |
0.02 |
I |
|
α-U |
要素 |
0.68 |
- |
I |
|
β-U |
要素 |
1.8 |
- |
I |
|
V |
エレメント |
5.03 |
1 |
II |
|
α-W |
要素 |
0.015 |
0.00012 |
I |
|
β-W |
要素 |
1-4 |
- |
I |
|
Yb |
元素 |
1.4 (>86 GPa) |
- |
いいえ |
|
Zn |
元素 |
0.855 |
0.005 |
I |
|
元素 |
0.55 |
0.014 |
I |
|
|
Ba8Si46 |
クラトレート |
8.07 |
0.008 |
II |
|
CaH6 |
クラスレート |
215 (172 Gpa) |
- |
II |
|
C6Ca |
化合物 |
11.5 |
0.95 |
II |
|
C6Li3Ca2 |
化合物 |
11.15 |
- |
II |
|
C8K |
化合物 |
0.14 |
- |
II |
|
C8KHg |
化合物 |
1.4 |
- |
II |
|
C6K |
化合物 |
1.5 |
- |
II |
|
C3K |
化合物 |
3.0 |
- |
II |
|
C3Li |
化合物 |
<0.35 |
- |
II |
|
C2Li |
化合物 |
1.9 |
- |
II |
|
C3Na |
化合物 |
2.3-3.8 |
- |
II |
|
C2Na |
化合物 |
5.0 |
- |
II |
|
C8Rb |
化合物 |
0.025 |
- |
II |
|
C6Sr |
化合物 |
1.65 |
- |
II |
|
C6Yb |
化合物 |
6.5 |
- |
II |
|
Sr2RuO4 |
化合物 |
0.93 |
- |
II |
|
C60Cs2Rb |
化合物 |
33 |
- |
II |
|
C60K3 |
化合物 |
19.8 |
0.013 |
II |
|
C60RbX |
化合物 |
28 |
- |
II |
|
C60Cs3 |
化合物 |
38 |
- |
II |
|
FeB4 |
化合物 |
2.9 |
- |
II |
|
InN |
化合物 |
3 |
- |
II |
|
In2O3 |
化合物 |
3.3 |
~3 |
II |
|
化合物 |
0.45 |
- |
II |
|
|
MgB2 |
化合物 |
39 |
74 |
II |
|
Nb3Al |
化合物 |
18 |
- |
II |
|
NbC1-xNx |
化合物 |
17.8 |
12 |
II |
|
Nb3Ge |
化合物 |
23.2 |
37 |
II |
|
NbO |
化合物 |
1.38 |
- |
II |
|
NbN |
化合物 |
16 |
- |
II |
|
Nb3Sn |
化合物 |
18.3 |
30 |
II |
|
NbTi |
化合物 |
10 |
15 |
II |
|
SiC:B |
化合物 |
1.4 |
0.008 |
I |
|
SiC:Al |
化合物 |
1.5 |
0.04 |
II |
|
窒化チタン |
化合物 |
5.6 |
5 |
I |
|
V3Si |
化合物 |
17 |
- |
II |
|
YB6 |
化合物 |
8.4 |
- |
II |
|
ZrN |
化合物 |
10 |
- |
I |
|
ZrB12 |
化合物 |
6.0 |
- |
II |
|
ウテ2 |
化合物 |
2.0 |
- |
- |
[3]
結論
電気抵抗ゼロとユニークな磁気特性を持つ超電導体は、医療用画像処理から輸送に至るまで、様々な分野に革命をもたらしている。研究が進むにつれて、より高い臨界温度を持つ新しい材料が発見され、さらに多くの応用が開かれる可能性がある。
参考文献
[1] Lebrun, Philippe & Tavian, Laurent & Vandoni, Giovanna & Wagner, U. (2002).Particle Accelerators and Detectors.
[2] Yao, Chao & Ma, Yanwei.(2021).超伝導材料：iScience.24.102541.10.1016/j.isci.2021.102541.
[3] 超伝導体のリスト。(2024年8月16日）。ウィキペディア内 https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_superconductors
