超電導材料の種類と応用

はじめに

超伝導材料は、臨界温度（Tc）以下に冷却すると電気抵抗がゼロになり、磁場が放出される（マイスナー効果）、注目すべき材料の一種である。1911年にHeike Kamerlingh Onnesによって発見されて以来、超伝導体は医療用イメージングからエネルギー伝送に至るまで、様々な分野に革命をもたらしてきた。この記事では、さまざまな種類の超電導材料とその多様な応用について概説する。

超電導材料の種類

超伝導体は、その臨界温度と磁気特性によって2つのカテゴリーに大別することができる：タイプIとタイプIIの超電導体である。さらに、その組成や発見時期に基づいて、従来型、高温型、非従来型超電導体などに分類することもできる。

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1.タイプ I 超電導体

I型超伝導体は、主に純金属やメタロイドで、超低温（通常30K以下）で超伝導を示す。超伝導状態への急激な転移と、臨界磁場(Hc)以下での磁場の完全な消失(マイスナー効果)が特徴である。例としては以下のようなものがある：

- 水銀（Hg）：最初に発見された超伝導体で、Tcは4.2K。

- 鉛（Pb）：Tc 7.2 K。

- アルミニウム（Al）：Tcは1.2K。

タイプIの超電導体は、臨界温度と磁場が低いため、実用化には限界がある。

2.タイプII超電導体

タイプⅡ超電導体は、合金や化合物を含むより複雑な材料で、より高い磁場に耐えることができ、臨界温度も高い。磁場が量子化された渦の形で浸透するため、高い磁場でも超伝導を維持できる。その例として以下が挙げられる：

- ニオブチタン（NbTi）：MRI装置や粒子加速器用の超伝導マグネットに広く使用されている。

- ニオブ-スズ（Nb3Sn）：臨界磁場が高く、高磁場マグネットに使用される。

3.高温超電導体（HTS）

高温超伝導体は、従来の超伝導体よりもかなり高い温度（30K以上）で超伝導を示す材料の一種である。銅酸化物（銅酸化物）系や鉄系材料が多い。例えば、以下のようなものがある：

- イットリウムバリウム銅酸化物（YBCO）：Tc 92 K。

- ビスマス・ストロンチウム・カルシウム銅酸化物（BSCCO）：Tc 110 K。

- 鉄系超伝導体：2008年に発見され、Tcは55Kに達する。

HTS材料は、液体ヘリウムよりもコスト効率のよい液体窒素温度（77K）で動作する能力を持っているため、実用化に向けて特に有望である。

4.非従来型超電導体

非従来型超伝導体は、超伝導の伝統的なBCS理論に従っていない。以下のようなものがある：

- 重い電子系超伝導体：CeCu2Si2のような物質で、電子が極めて大きな質量を持つかのように振る舞う。

- 有機超伝導体：低温で超伝導を示す炭素ベースの材料。

- 二ホウ化マグネシウム（MgB2）：39KのTcを持つ単純な化合物で、従来型超電導体と高温超電導体の橋渡しをする。

超電導材料の応用

超電導体のユニークな特性により、様々な産業分野で幅広い用途に使用されている。以下は、最も重要な用途の一部である：

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1.医療イメージング

超電導磁石は磁気共鳴画像装置（MRI）の基幹部品である。ニオブチタン(NbTi)超電導体は、高分解能イメージングに必要な強力で安定した磁場を発生させるために一般的に使用されている。超伝導体の抵抗がゼロであるため、大きなエネルギー損失なしに効率的な動作が可能である。

2.粒子加速器

超伝導材料は、CERNの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）のような粒子加速器に不可欠である。ニオブ-スズ（Nb3Sn）とニオブ-チタン（NbTi）磁石は、光速に近い粒子ビームの操縦と集束に必要な強力な磁場を作り出すために使用される。

3.エネルギー伝送

超電導ケーブルは抵抗ゼロで電気を送ることができるため、従来の銅ケーブルに比べてエネルギー損失を大幅に減らすことができる。YBCOのような高温超電導体は、超電導送電網での使用が検討されており、エネルギー配電に革命をもたらす可能性がある。

4.磁気浮上式（マグレブ）列車

超電導磁石は、磁気浮上式鉄道が線路の上に浮くことを可能にし、摩擦を排除して超高速走行を可能にする。YBCO超電導体を使用した日本のSC磁気浮上式鉄道は、時速600kmを超える速度を達成している。

5.量子コンピューティング

超伝導材料は、量子コンピューターの量子ビット（量子ビット）の中核をなしている。ジョセフソン接合は、絶縁体で隔てられた2つの超伝導体からなるデバイスで、超伝導量子回路の重要な構成要素である。IBMやグーグルなどの企業は、この技術を活用して強力な量子プロセッサを構築している。

6.エネルギー貯蔵

超電導磁気エネルギー貯蔵（SMES）システムは、超電導コイルから発生する磁場にエネルギーを貯蔵する。これらのシステムは、ほぼ瞬時に大量のエネルギーを放出することができるため、電力網の安定化やバックアップ電力の供給に理想的である。

7.科学研究

超伝導材料は、超伝導量子干渉素子（SQUID）などの高度な研究ツールに使用されている。SQUIDは、極めて弱い磁場を検出できる高感度磁力計である。SQUIDは地質学から神経科学まで幅広い分野で使用されている。

8.核融合エネルギー

超電導磁石は、ITERプロジェクトのような核融合炉でプラズマを閉じ込めるために不可欠である。YBCOのような高温超伝導体は、より効率的でコンパクトな核融合炉の開発に使用されている。

9.宇宙探査

超電導材料は、宇宙望遠鏡や検出器の極低温システムに使用されている。例えば、超伝導検出器は天体物理学で採用され、遠くの星や銀河からの微弱な信号を観測している。

10.産業応用

超電導材料は、産業用途の電気モーターや発電機に使用されている。これらのデバイスは従来のものよりも効率的でコンパクトであるため、風力タービンや電気自動車での使用に理想的である。

結論

超電導材料は現代技術を一変させた。I型超電導体から高温超電導体や非従来型超電導体に至るまで、各クラスの材料はユニークな特性と用途を提供している。研究が進むにつれて、超電導体はさらに多くの産業に革命をもたらすことが期待されている。その他の先端材料については、スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。

参考文献

[1] アブド-シュコール、R.高温超伝導体：Materials, Mechanisms and Applications.

[2] Chao Yao, Yanwei Ma, Superconducting materials：Challenges and opportunities for large-scale applications, iScience, Volume 24, Issue 6, 2021, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589004221005095