Nature 誌に「室温超伝導体は科学をどう変えるのか？」という記事が掲載されました。

7月末にLK-99が引き起こした熱狂は、8月中旬には徐々に沈静化しました。

いくつかの権威ある組織が相次いでLK-99の超伝導性を否定した後、ネイチャー誌は8月16日にLK-99が室温超伝導体であることを否定する論文を正式に発表した。

しかし、1つの疑問が残ります。真の室温超伝導体は革命的なものになるのでしょうか?

答えは、応用分野と、仮想材料が他の重要な特性も備えているかどうかによって異なります。しかし、少なくとも一部の科学分野、特に強力な磁場を使用する分野では、より優れた超伝導体が大きな影響を与える可能性があります。

超伝導体とは、ある一定の温度では抵抗なく電流を流すことができ、無駄な熱を発生しない物質です。

しかし、確認されている超伝導体はすべて、低温または極度の圧力、あるいはその両方の条件下でのみこの特性を示します。

超伝導相転移中の熱容量（c(v)、青）と抵抗率（ρ、緑）の挙動

このような材料は、研究者がさまざまな技術を使って冷却できるため、すでに研究室では広く普及しているが、これにより実験のコストと複雑さが増す。

しかし、日常的な用途では、超伝導体の低温要件は超えるのが難しい限界です。

極端な例は、欧州原子核研究機構（CERN）の加速器である大型ハドロン衝突型加速器（LHC）です。

陽子を27キロメートルの円内で動かし続けるために、LHCはわずか1.9ケルビン（-271.25℃）の温度の超伝導コイルを使用して強力な磁場を生成します。

これを実現するには、まず96トンの液体ヘリウムを含む極低温システムが必要です。これは同種のシステムとしては世界最大規模です。

欧州原子核研究機構（CERN）の磁石研究者で原子力技術者のルカ・ボットゥーラ氏はかつてこう語った。「極端な温度が必要なければ、工学設計は大幅に簡素化されるだろう。」

したがって、室温または室温付近で動作できる超伝導体は、科学の多くの分野にすぐに革命をもたらすでしょう。

しかし、科学はまだそこまで到達していません。

量子の問題

たとえば、量子コンピュータを考えてみましょう。この新しい技術は、従来のコンピュータでは解決できない特定のタスクを解決できると期待されています。

量子コンピュータを構築するための主要なアプローチの 1 つは、超伝導材料のリングに情報を保存することです。

量子コンピュータ

これらの超伝導材料は、ほぼ絶対零度（-273.15 ºC）まで冷却され、希釈冷凍機と呼ばれる高価なロシア人形のような装置に収納されます。

希釈冷凍機

超伝導体をベースにした量子コンピュータでは、温度が数十分の一度上昇しただけでも、超伝導とは何の関係もない理由でパフォーマンスが急激に低下します。

超伝導量子コンピューティングの共同発明者である中村泰伸氏は、量子コンピューティングはあらゆる種類のノイズに非常に敏感であり、誤った「準粒子」を生成する可能性がある熱振動が最大の敵であると考えている。

彼は、熱励起準粒子の拮抗効果は 100～150 ミリケルビン付近で見られると述べました。

他のケースでは、実験自体に極端に低い温度は必要ないかもしれませんが、それでも超伝導体は超伝導状態になる温度 (つまり、Tc) よりもはるかに低い温度に保つ必要があります。

超伝導体の物理的特性はさまざまです。しかし、多くの用途、特に高磁場磁石では、臨界電流と臨界磁場という 2 つの特性が重要になります。

なぜなら、超伝導性は温度が上昇したときだけでなく、材料に一定量以上の電流が流されたり、十分に強い磁場にさらされたりした場合にも失われるからです。

高い転移温度を持つ超伝導体は、MIT の極低温システム内に収容されている。クレジット: David L. Ryan/The Boston Globe via Getty

最も重要なのは、臨界磁場と臨界電流はどちらも温度に依存するということです。温度が低いほど、材料が耐えられる電流と磁場が大きくなります。

したがって、超伝導体の Tc は高いですが、Tc 未満の任意の温度で使用できるというわけではありません。

多くの用途では、システムの温度が下がると超伝導体の性能が向上します。

幸いなことに、銅酸化物超伝導体と呼ばれるクラスを含む、これまでに発見された最高の超伝導体は、温度が十分に低く保たれている限り、非常に高い磁場に耐えることができます。

現場で

4年前、フロリダ州タラハシーにある国立高磁場研究所（NHMFL）は、銅酸化物を使用して、安定した（非脈動の）磁場強度の記録を達成しました。

NHMFL の超伝導コイルは 45.5 テスラの磁場を生成できますが、それは液体ヘリウム、つまり 4.2 ケルビン以下に保たれている場合に限られます。

「私たちが高Tc超伝導体を使用するのは、Tc値が高いからではなく、臨界磁場が高いからです」とNHMFLの主任科学者である物理学者ローラ・グリーン氏は語った。

「高磁場磁石が欲しいなら、可能な限り低い温度で作動させてください。そうすることで、超伝導の本当の力を引き出せるからです」と、ニュージャージー州にある米国の国立研究所、プリンストン・プラズマ物理研究所（PPPL）の機械・電気エンジニア、ユフ・ザイ氏は言う。

CERNは、物理学者が新たな素粒子の発見を期待している範囲である大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の7倍のエネルギーで陽子を衝突させる将来の粒子衝突型加速器の選択肢を検討している。

CERN の大型ハドロン衝突型加速器と超陽子シンクロトロンの地図

これらの高いエネルギーに到達するには、より高い磁場を使用するか、より長い加速ループに沿って粒子を加速するか、またはその両方を行う必要があります。

そのような機械を建造するために、物理学者たちは大型ハドロン衝突型加速器の横に長さ100キロメートルの円形トンネルを掘ることを夢見ている。

しかし、これほど大きな円形のトンネルがあっても、LHCで使用されているような、ニオブ・チタンコイルを備えた8テスラのモンスター級の超伝導磁石では、少なくとも16～18テスラと推定される必要な磁場を生成することはできないだろう。

ボットゥーラ氏は「現時点では、明らかに他の材料に頼らざるを得ない」と語った。

現在の高温超伝導体ではこれを実現できるが、おそらく液体ヘリウムの温度に保つ必要があるだろう。

中国が提案した同様の加速器である円形電子陽電子衝突型加速器も、高温超伝導磁石を使用する予定だ。

北京高能物理研究所の王一芳所長は、主に銅酸化物と鉄系材料を中心とした高温超伝導材料について、以前から検討してきたと語った。

臨界電流

しかし、銅酸化物超伝導体には他の欠点もあります。それは、脆いセラミック材料であり、製造コストが高く、ケーブルにするのが難しいことです。

さらに、王一芳氏はこの材料の臨界電流が低すぎるとも言及した。もう一つのクラスの超伝導体である鉄ベースのものは、原理的には銅酸化物よりも性能が良く、コストも半分しかかかりません。

ボットゥーラ氏らは、まったく新しいタイプの加速器の実現可能性を調査している。

陽子をミューオン（電子に似ているが質量が207倍大きい粒子）に置き換えることで、この衝突型加速器は長さ100キロメートルの陽子-陽子衝突型加速器と同じ種類の物理学を研究できる。

しかし、研究用衝突型加速器のリングははるかに小さく、既存のLHCトンネル内にも収まるほどであり、ミューオンを円状に送り出すのに特に強い磁場は必要としない。

しかし問題は、適切な特性を持つミューオンビームを生成することであり、これには 40 テスラもの磁石が必要になる場合があります。

この強さでは、問題はもはや超伝導体ではなく、電磁コイル内の電流が磁石を押し離す傾向があるため、コイルを所定の位置に保つ方法になります。

40テスラでは、最も強力な鋼鉄でさえ機械的ストレスに耐えることはできません。

代わりに、磁石には炭素繊維などのより強力な材料を使用する必要があるかもしれません。 (NHMFL 磁石は、わずか数センチメートルの幅の空間で強力な磁場を生成する必要があるため、強度要件はそれほど厳しくありません)。

したがって、陽子およびミューオン衝突型加速器では超伝導体が大きな役割を果たすことになりますが、その他の工学上の課題も生じる可能性があります。

フュージョンジャーニー

しかし、核融合エネルギーを利用するために設計された別の種類の機械では、構造強度が深刻な制約となっている。

核融合に対する長年確立されたアプローチの 1 つは、ドーナツ型に配置された磁石 (トカマクとも呼ばれる) を使用してプラズマを閉じ込め、数百万度に加熱し、水素のさまざまな同位体を衝突させるというものでした。

世界最大の実験用トカマクであるITERは南フランスで建設中であり、大量の液体ヘリウムを使用して磁石を冷却し、12テスラに近い磁場を発生させる予定だ。

しかしザイ氏によれば、産業界と公的資金による研究室の両方が、高温超伝導体をベースにしたトカマク磁石の設計に懸命に取り組んでいるという。

これには多くの理由があり、例えば磁場が高ければ核融合炉の燃料燃焼率が劇的に上昇し、原理的には生産できるエネルギー量が増える可能性があるが、核融合からエネルギーを取り出すための重要なステップの多くはまだ実証されていない。

高温超伝導磁性材料の生産量を増やすための業界の努力の 1 つの良い結果はコストの削減ですが、それでもニオブチタン材料に比べるとはるかに高価です。

さらに翟氏は、トカマクは最終的には液体ヘリウムによる冷却を廃止すべきだとも述べた。一方で、冷却システムは複雑で構築が困難です。また、ヘリウムは希少な資源であり、液体ヘリウムを使用して数百基のITER規模の原子炉を建設することは困難です。

グリーン氏は、より優れた超伝導材料の探索はリスクの高い作業であり、これまでのところ成功した例はほとんどないと考えている。

それでも彼女はこう言った。「大変な仕事ですが、世界を変える刺激的な仕事です。」