電気を通す能力に基づき、物質は二つのカテゴリーに分けられます。銅や銀などの金属では、電子が自由に動き、それに伴って電荷を運びます。一方、ゴムや木材などの絶縁体は電子を強く束縛するため、電流を流しません。
20世紀初頭、物理学者たちは物質を絶対零度（-273 °C）に近い温度まで冷却する新たな実験技術を開発し、このような極限条件で電気伝導性がどう変化するかを調べ始めました。水銀や鉛などの単純な元素の中には、ある温度を下回ると電気抵抗なしに電気を通すものがあることに気づきました。これは驚くべき現象でした。この発見から数十年の間に、科学者たちはセラミックスからカーボンナノチューブまで、何千もの化合物で同じ挙動を見いだしました。
現在、この物質の状態は金属でも絶縁体でもなく、超伝導体と呼ばれる、特異な第三のカテゴリーだと考えられています。超伝導体は完全に電気を通すため、超伝導線の電流は何十億年も円を描いて流れ続け、弱まったり散逸したりすることがありません。
電子が走る優先レーン
微視的なレベルでは、超伝導体中の電子は通常の金属中の電子とは大きく異なる振る舞いをします。超伝導状態の電子は対を作り、物質の一端から他端へ容易に移動できるようになります。これは、混雑した高速道路に設けられた通勤者用の優先レーンに少し似ています。単独の電子は、移動中にほかの電子や障害物にぶつかり、渋滞にはまります。一方、対になった電子は優先通行証を与えられ、物質の中を走る高速レーンを進み、混雑を避けることができます。
超伝導体はすでに研究室の外でも、次のような技術に応用されています。 磁気共鳴画像法 （MRI）です。MRI装置は超伝導体を使って強い磁場を発生させ、患者の体内を非侵襲的に画像化する手段を医師に提供します。超伝導磁石はまた、粒子の衝突ビームを曲げて集束させることで、 ヒッグス粒子 の近年の検出を CERNで可能にしました。
超伝導体の興味深く、実用につながる可能性のある性質の一つは、強力な磁石の近くに置いたときに現れます。磁場によって超伝導体の表面に電流が自発的に流れ、それが磁場に対抗する独自の磁場を生み出します。その結果、超伝導体は目に見えない磁力に支えられ、磁石の上方に大きく浮上します。
これらの物質が広く使われていないのは、知られている超伝導体が非常に低い温度でしか機能しないためです。たとえば単純な元素では、超伝導はわずか10ケルビン、つまり-263 °Cで失われます。酸化イットリウム・バリウム・銅（YBa2Cu3O7）など、より複雑な化合物では、超伝導はより高い温度、最大100ケルビン（-173 °C）まで保たれることがあります。単純な元素よりは改善されていますが、それでも南極の最も寒い冬の夜よりはるかに低温です。
科学者たちは、室温で超伝導特性を利用できる物質の発見を夢見ていますが、それは難題です。温度を上げると、電子を超伝導の対に結びつける接着剤のような働きが失われ、物質は退屈な金属状態に戻る傾向があります。この分野における大きな課題の一つは、限られた事例を除き、この「接着剤」についてまだほとんど理解できていないことです。
スーパーアトムから超伝導体へ
新たな研究 により、南カリフォルニア大学の研究者たちは、超伝導がどのように生じるかについての理解を深めるため、斬新な一歩を踏み出しました。ワイヤのようなバルク材料で超伝導を研究するのではなく、Vitaly Kresin氏と共同研究者たちは、一度に数十個のアルミニウム原子からなる小さな塊を分離して調べることに成功しました。こうした微小な原子クラスターは「スーパーアトム」のように振る舞い、単一の巨大な原子を模倣する形で電子を共有できます。
驚くべきことに、これらのクラスターの測定結果は、電子対形成の兆候が100ケルビン（-173 °C）まで持続している可能性を示しています。もちろん、まだ凍えるような温度ですが、アルミニウム線の超伝導温度より100倍高い温度です。なぜ少数の原子が、ワイヤを構成する何百万もの原子よりはるかに高い温度で超伝導を示すのでしょうか。物理学者たちはいくつかの考えを持っていますが、この現象はほとんど未解明であり、より高温での超伝導を目指すうえで興味深い道筋となるかもしれません。
ホバーボードはいかが？
物理学者たちが、ワイヤに加工しやすい物質で室温超伝導を実現できれば、重要な新技術がすぐに続いて登場するでしょう。まず、電気を使う機器は大幅に効率が向上し、消費電力も減るでしょう。
電気を長距離輸送することもずっと容易になり、これは再生可能エネルギーの用途に特に有用です。ヨーロッパと北アフリカの太陽光発電所を結ぶ巨大な超伝導ケーブルを提案する人もいます。
超伝導体が強力な磁石の上方に浮上する性質は、磁気軌道の上を浮かんで走る、効率的な超高速列車の可能性も生み出します。『バック・トゥ・ザ・フューチャー』のマーティ・マクフライのホバーボードによく似ています。日本の技術者たちは、列車の車輪を大型の超伝導体に置き換え、車両を軌道から数センチ浮かせる実験を行ってきました。この構想は原理上は機能しますが、超伝導体を冷やしておくために列車が高価な液体ヘリウムのタンクを搭載しなければならないという問題があります。
室温超伝導体が発見されない限り、多くの超伝導技術は設計段階にとどまるか、実用化には高額すぎるままでしょう。しかし、Kresin氏の研究グループによる進展が、この道のりの節目となる可能性はあります。
この記事は、 The Conversationとの提携により掲載されています。 元の記事をお読みください。
掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味するものではありません。
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著者：Michael Sutherland氏は、ケンブリッジ大学の王立協会大学研究フェローです。
画像：ドイツの公益事業会社RWEの超伝導ケーブル。エッセンでの発表会で撮影。REUTERS/Ina Fassbender
