あなたが使うすべての電気製品、たとえ建物に電気を供給する送電線でさえ、導電回路やトランジスタの効率が悪いためにエネルギー損失が生じています。これは資源の無駄遣いであるだけでなく、失われたエネルギーは熱を発生させ、それ自体に問題を引き起こす可能性があります（CPUとその冷却システムを考えてみてください）。この無駄をなくす方法があればいいのですが！
超伝導体とは、極低温下でも100%の効率で電気を伝導できる物質です。もし人類が常温・常圧で信頼性の高い超伝導体を製造できれば、私たちの技術革新の多くは飛躍的に進歩するでしょう。コンピューターはより高速になり、はるかに低温で動作し、送電線は輸送中に1ワットも無駄にすることなく、最大限の効率で稼働できるようになります。そして、エントロピーによって蓄えられた電力が決して失われない磁気電池も開発されるでしょう。
しかし、これらは一体何を意味するのでしょうか？超伝導体とは一体何なのでしょうか？ここでは、超伝導体とは何か、どのように機能するのか、その背景にある歴史と研究、そして超伝導の未来がどのようなものになるのかについて、簡単に説明します。
超伝導の科学
電気抵抗ゼロ
最初の超伝導体は、1911年に最初の無損失「電池」を発明したオランダの物理学者ハイケ・カメルリング・オンネスによって発見されました。オンネスは水銀（温度計内で膨張と収縮を繰り返す物質）の電気的特性を研究していた際に、4.2ケルビン（摂氏4.2度）以下の温度では水銀の電気抵抗が消失することを発見しました。
他にも多くの物質が超伝導体になることが見つかっていますが、いずれも特定の温度以下に冷却する必要があります。物質によって異なる閾値に達すると、電気抵抗は急激に低下します。しかし、なぜこのような現象が起こるのかを理解するには、量子レベルと標準物理学モデルを検討する必要があります。
素粒子（科学者たちは私たちが粒子の塊でできていると主張しています）の世界は、様々なグループに分けられます。これらの素粒子の一つである電子は、フェルミオン族に属します（このフェルミ粒子の部分は後で重要になります）。そして、電流（最も基本的な意味では）は、単に電子の秩序だった運動です。
Tom's Hardware の最高のニュースと詳細なレビューをあなたの受信箱に直接お届けします。
しかし、電子は自由粒子でもあるため、このように秩序立てられることに抵抗します。家庭に電力を供給する銅線（そして、階層構造のどこに位置しているかに関わらず、金と並んでCPUにも組み込まれています）のような一般的な導体では、電子は損失なく飛び回ることができません。
初心者レベルのスケーターが無秩序に隊列を組んでいるように、電子は互いにぶつかり合い、他の電子は穴に落ちていく。まさに混乱状態だ。この電子の混乱はエネルギーの漏洩と損失につながる。温度は素粒子（前述のスケーターの子供たち）の興奮度を表す指標に過ぎないため、過剰な仕事が熱として失われることになる。基本的に、電子機器が熱くなるのは抵抗するからである。
しかし、超伝導体内部では抵抗はゼロです。その閾値温度において、電子（私たちの手に負えないスケーター）はクーパー対を形成します。この低温（基本的にすべての粒子の動きを遅くする）で結合した電子は、邪魔されることなく（エネルギーを無駄にすることなく）所定の有効な経路に沿って移動できるようになります。全体のエネルギーレベルがフェルミエネルギー帯より低く保たれている限り、電子はA地点とB地点の間を妨げられることなく移動し、電気エネルギーを完璧に伝達することができます。バーディーン、クーパー、シュリーファーの提唱にちなんでBCS理論として知られるこの超伝導の量子的な説明は、1957年に初めて発表されました。
残念ながら、水銀でできることはほとんどありません。水銀は、実際に機能する超伝導体を作るのに理想的な物質ではないからです。理想的な、夢に見る超伝導体の未来を実現するために私たちが求める物質は、既存の技術や材料とうまく調和する必要があります。水銀と他の物質を混ぜ合わせた奇妙で高価な混合物が、苦労してスイッチやトランジスタに加工できるからといって、チップからシリコンを捨て去るつもりはありません。そうした場合のコストは計り知れないからです。
いいえ。私たちが生み出すどんな素材も、世界に革命を起こす前に、既存の製造技術（そして世界のインフラ）と「うまく調和」しなければなりません。私たちは探求し続けなければなりません。
マイスナー効果
1933年、ヴァルター・マイスナーとロバート・オクセンフェルトは、超伝導体が損失のないエネルギー伝導を促進するだけでなく、外部の磁場にも抵抗することを発見しました。実際、超伝導体は近傍の磁場を「排除」します。つまり、磁気伝導線は超伝導金属から発散するように強制されるのです。この反発効果はマイスナー・オクセンフェルト効果（現在ではより一般的にマイスナー効果と呼ばれています）として知られるようになりました。
磁気浮上式鉄道の話に戻りますが、「トランスラピッド」とは、その基盤となるドイツ製の構造を指し、磁気吸引力と磁気反発力の両方を利用して浮上を実現しています。接触面がないため、摩耗は空気摩擦に抑えられ、非超伝導鉄道よりも安全で高速です。この鉄道で採用されている電気力学的サスペンション（EDS）は、マイスナー効果による外部磁場の打ち消し効果を利用し、「マグウェイ」線路沿いに設置された磁石に対して完全にバランスの取れた位置を維持します。
第一種超伝導体
第一種超伝導体（現在知られているのはタンタルシリサイドのみ）は、環境からのストレスが十分に加わると、超伝導性を失います。超伝導状態にある物質は、一次エネルギー遷移（超伝導状態へと導いたエネルギー遷移と逆の現象）によって超伝導状態から脱し、私たちは再び、ホルモン過剰で無秩序なスケーターの子供のような状態に戻ってしまいます。理想的な動作条件が整わないと、このように機能が壊滅的に失われるという点が、第一種超伝導体と第二種超伝導体の違いです。
超伝導体が超伝導体であるためには、ある閾値温度以下で電子がクーパー対を形成する能力と、マイスナー効果によって磁場を反発する能力の両方を示す必要があります。しかし、超伝導は本質的に物質の特定の形態（前述の閾値状態）であるため、この状態が破綻して超伝導ではなくなることはよくあります。この破綻の起こり方は2種類あり、それによって超伝導体は第1種超伝導体と第2種超伝導体に分類されます。
II種超伝導体
パーティーを終わらせるような突発的な爆発で超伝導状態を失うI型超伝導体とは異なり、II型超伝導体は、用心棒の監視下でも超伝導状態を維持する方法を見つけます。これは、超伝導体を構成する物質がそれぞれ異なるためです。
製造プロセスが完璧ではないため、超伝導状態へ遷移できる物質粒子と、遷移できない物質粒子が混在しています。そのため、条件が適切に整うと、化合物の一部は超伝導挙動（電子がフェルミエネルギー帯より下でクーパー対として移動する）を示し、他の部分では電子が秩序だった経路に沿って自由に移動できる状態になります。
これらの存在の違いは、超伝導化合物の磁場反発能力に本質的に隙間を生み出します。磁場が化合物を完全に回避する代わりに、通常の非超伝導物質の断片が存在するため、特定の磁気糸が物質の大部分を貫通し、いわゆる磁場渦を形成します。これらの渦は磁束ピンニングと呼ばれる現象を引き起こし、浮遊している物質が外部磁場の侵入によってその場に固定されます。
しかし、これらの渦は、物質が超伝導状態を失う速度を規定する役割も担っています。第二種超伝導体の場合、超伝導状態と常伝導状態の間の張力によって渦の面積が増加します。磁束ピン止め渦の半径が大きくなり、物質のより多くの部分が外部磁場に透過されるにつれて、超伝導能力を失う部分も増えます。第一種超伝導体は爆発的に消滅しますが、第二種超伝導体は静かに機能を停止します。
超伝導体の展望は？
超伝導に関する理論的知識が不完全であることは事実です。例えば、YBCOを高温高圧超伝導体として用いることに成功している一方で、なぜそれが超伝導体になるのかという点については、現時点では有力な科学的説明が存在しないのも事実です。
それはまるで、複雑な機械が始動したり、ガタガタと音を立てたり、回転したりする様子を眺めているようなものです。どのように動くのかは理解できませんが、それが機能していること自体が不思議です。そして、それを役立てなければ、私たちは地獄に落ちるでしょう。
超伝導体は量子レベルで動作することに注意することが重要です。超伝導物質は、特定の量子効果が自然に発現するための条件が整ったときに存在します。凝縮系物理学（超伝導体を研究する科学分野）では、化学と量子力学（つまり、無限小レベルの化学）の両方を考慮に入れて物質間の相互作用を研究します。これは複雑で急速に変化する分野であり、ほぼ毎週のように画期的な進歩が報告されています。
超伝導体には、電気損失ゼロと永久磁場が絡み合っており、これは大きな意味を持ちます。市場規模は1兆ドル規模です。しかし残念ながら、それは超伝導研究が時間と資金の落とし穴、そして偽りの神々にまみれていることも意味します。論文撤回や捏造されたデータは、学界におけるよく知られた大きな影響力を持つ疫病であり、この分野に限ったことではありません。
2023年夏、「世界初の室温超伝導体」の化学式を発見したと主張する韓国の論文が、科学界をインターネット上で大騒ぎに巻き込んだ。当然のことだ。そのような物質がどれほど重要かは誰もが知っているからだ。しかし、LK-99をめぐるこの件は興味深い。超伝導に関する書籍に記されたこれらの文章以上の価値があるかどうかは、時が経てば分かるだろう。
しかし、おそらくそれは、最も重要なブレークスルーに対してノーベル賞を「約束」する研究分野であれば当然のことなのでしょう。人間は夢想家で、時には自分の業績を誇張してしまいます。そして科学者も人間です。少数の科学者が他の科学者全員の評判を落とすようなことは避けるべきです。
上記のすべての注意事項を考慮する必要がありますが、超伝導に関する決定的な研究はすでに行われており、これは空想的なものではありません。前述の通り、上海トランスラピッド計画はすでに超伝導浮上を基盤として機能しています。大型ハドロン衝突型加速器（LHC）などの粒子加速器も超伝導体を採用しており、MRI装置や特定の超伝導ケーブルも同様です。
超伝導の仕組みをまだ完全に理解できていないかもしれませんが、それは議論の余地があるかもしれません。人類は物事を完全に理解することなく、それを自分たちの利益（あるいは不利益）のために利用してしまう習性があります。有用性には完全な理解は必要ありません。そうでなければ、進歩は琥珀色で行き詰まってしまうでしょう。
研究者たちは、実用的な室温・常圧超伝導の実現に向けて何を探すべきか、ある程度の見当をつけている。しかし、探検家であることは容易ではない。結局のところ、自らの進むべき道筋を地図に描き出すことは、ハイパフォーマンススポーツとも言えるのだ。
Francisco Pires 氏は、Tom's Hardware のフリーランス ニュース ライターであり、量子コンピューティングに関心を持っています。
