【テクノロジー解説】電気抵抗ゼロの「超伝導」と、ねばりゼロの「超流動」:強い磁場の中でも超伝導が続くしくみを理論で説明。MRIや粒子加速器の磁石を支える(2003年ノーベル物理学賞)
絶対零度近くまで冷やすと、ある種の金属は電気抵抗がゼロになり、電流が流れ続けます。これが超伝導です。病院のMRIや、物理の粒子加速器にも超伝導の材料が使われています。2003年のノーベル物理学賞は、超伝導と超流動の理論に大きく貢献したアブリコソフ博士、ギンツブルク博士、レゲット博士に贈られました。技術的にいちばん大切な「第2種超伝導体」は、強い磁場の中でも超伝導が続きます。アブリコソフ博士は、磁場が小さなうずの中を通りぬけるしくみでこれを説明しました。レゲット博士は、液体ヘリウム3がねばりゼロで流れる超流動のしくみを説明しました。
プレ男MRIの検査を受けたとき、すごく大きな機械だった。中に何が入ってるの?
メル美電気抵抗がゼロになる「超伝導」の磁石が使われてるんだって。
こんにちは、Dr. Taro です。 「テクノロジー解説」、今回は超伝導と超流動です。2003年のノーベル物理学賞の発表と一般向け解説をもとにまとめました。
超伝導:電気抵抗がゼロに
- 1911年、オランダのカメルリング・オネス博士は、水銀を液体ヘリウムで絶対零度より数度高い温度まで冷やすと、電気抵抗が消えることを発見しました
- このように、低い温度で電気抵抗ゼロで電流が流れる現象を「超伝導」といいます
- 超伝導の材料は、病院のMRIや、物理学の粒子加速器などに使われています
- 超伝導の物質には、磁場(磁力線)を追いだす性質もあります
第1種と第2種
- 磁場を完全に追いだすものを「第1種超伝導体」といい、電子がペアをつくるという理論で説明されました(1972年ノーベル物理学賞)
- でも、この理論では、技術的にいちばん大切な材料「第2種超伝導体」は説明しきれませんでした
- 第2種超伝導体は、超伝導と磁場が同時に存在でき、強い磁場の中でも超伝導が続きます
プレ男強い磁石をつくるなら、強い磁場の中でも超伝導のままでいてくれないとこまるよね。
磁場は「うず」を通りぬける
- アレクセイ・アブリコソフ博士は、ヴィタリー・ギンツブルク博士らが第1種のためにつくった理論を出発点に、第2種超伝導体をはじめて理論で説明しました
- 外からの磁場は、物質の中にできる小さなうずの通り道にそって入りこみます。うずはきれいに並んで「アブリコソフ格子」をつくります
- 磁場が強くなると、うずの数がふえ、うずの中心どうしが重なると、超伝導が失われることも予言しました
- これらの理論は1950年代につくられましたが、より高い温度やより強い磁場でも超伝導になる新しい材料の開発が進むなかで、ふたたび重要になっています(2003年当時)
超流動:ねばりがゼロの液体
- 液体のヘリウムは、低い温度でねばり(粘性)がゼロになります。これを「超流動」といいます
- めずらしいヘリウム3の原子は、超伝導の電子と同じようにペアをつくる必要があります
- アンソニー・レゲット博士は1970年代、超流動の状態で原子どうしがどうふれあい、どうならぶのかを説明する決定的な理論をつくりました
- 最近の研究では、この秩序が乱れ(乱流)へと変わっていくようすも調べられています。乱流は、古典物理学の未解決の問題の一つです
超伝導は、低い温度で電気抵抗がゼロになる現象です。MRIなどに使われる第2種超伝導体は、強い磁場の中でも超伝導が続きます。アブリコソフ博士は、磁場が小さなうずの中を通りぬけるしくみでそれを説明しました。
つながるテクノロジー
- 超伝導の磁石で体の中を見る:MRI
- うすい層の超伝導とうず:トポロジー
- 巨大な加速器で見つかった粒子:ものに「重さ」があるのはなぜ?
プレ男MRIの中に、うずのならんだ超伝導の世界があるんだね。
メル美100年以上前の発見が、いまの病院で役立ってるんだね。
液晶とふるまいが似ているという話は、電卓や腕時計の数字を表示する「液晶」へ。
液体窒素で冷やせる超伝導の発見は、「高温」超伝導の発見へ。
まとめ
- 超伝導:低い温度で電気抵抗がゼロ(1911年、水銀で発見)
- MRIや粒子加速器に使われる
- 技術的に大切な第2種超伝導体は、強い磁場の中でも超伝導が続く
- アブリコソフ博士:磁場は小さなうずを通りぬける(アブリコソフ格子)
- レゲット博士:ヘリウム3の超流動(ねばりゼロ)のしくみ(2003年ノーベル物理学賞)
参考文献
- The Royal Swedish Academy of Sciences. Press release: The Nobel Prize in Physics 2003. NobelPrize.org. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2003/press-release/ (閲覧日:2026年10月10日)
- NobelPrize.org. The Nobel Prize in Physics 2003 — Popular information. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2003/popular-information/ (閲覧日:2026年10月10日)
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