超伝導 – 臨界温度 | 電気 – 磁気

超伝導とその臨界温度について

超伝導現象は、通常の導電性とは根本的に異なる性質を持ちます。銀や銅のような最良の通常導体でさえ、どんな温度であっても超伝導状態にはなり得ません。一方で、新しいセラミック超伝導体は、低温状態にない時は実際に良い絶縁体です。超伝導性と低温との関係は基本的なものです。物質が超伝導体になるためには、超伝導転移温度または臨界温度（T_c）と呼ばれる、ある臨界温度以下に冷却されなければなりません。この転移温度は、超伝導材料によって異なり、数ケルビン（K）から数百Kの範囲に及びます。

低温では、材料内の原子振動が減少し、これにより電子の流れに対する障害が少なくなります。これがクーパー対の形成につながります。クーパー対とは、格子振動によって結びついた電子の対のことです。通常の金属では、電子は材料の格子構造内の原子と衝突するときに抵抗を経験しますが、超伝導体ではクーパー対が格子構造を通じて抵抗なく移動します。

超伝導体の種類

超伝導体は、主に二つのタイプに分類されます：

• タイプI超伝導体：これらの超伝導体は、単一の臨界磁場を持ち、それ以下では完全な導電性を示し、それ以上では急激に超伝導性を失います。これらは「柔らかい」超伝導体とも呼ばれます。水銀、鉛、錫などが例です。
• タイプII超伝導体：これらの超伝導体は二つの臨界磁場を持ち、その間では材料の一部分のみが超伝導状態を示す混合状態を持ちます。これらは「硬い」超伝導体とも呼ばれます。ニオブ-チタン、ニオブ-スズ、YBCO（酸化イットリウムバリウム銅）などが例です。

タイプII超伝導体は、MRI装置や粒子加速器など、強い磁場の存在下での超伝導性を維持できるため、実用的な応用においてより広く使用されています。

臨界温度

臨界温度（T_c）は、物質が電気抵抗ゼロと完全な反磁性を示す温度以下になるという、超伝導体にとっての重要なパラメータです。Nb3SnやNbTiのような従来の超伝導体の場合、臨界温度は比較的低く、材料やサンプルの条件によって約9K（-264°C）から18K（-255°C）の範囲にあります。これに対し、カップレートや鉄系超伝導体のような高温超伝導体は、HgBa2Ca2Cu3O8+δなどの記録的に高いT_c材料で約30K（-243°C）から138K（-135°C）のはるかに高い臨界温度を持ちます。

超伝導体 – 材料