Vol.52 超伝導って知ってる？

超伝導という現象を知っているでしょうか？以外にも知らないという人は多いかもしれません。また、その詳しい機構まではわからないという人もいるでしょう。

この記事では、超伝導についての解説を行っていきます。

超伝導＝状態

まず端的に言うと、超伝導というのは状態のことを指します。例えば、炎がめらめらと燃え盛っている状態だったり、水という粘性のある液体という状態だったりと、いわゆる「状態」なのが超伝導というわけです。

水は水素によって粘性を定義します。氷も水素です。なぜなら氷は水が凝固しただけだから。そして、水蒸気も水素により構成されます。

超伝導もそれと同じで、電子対によって定義されます。つまり、水でいう水素が、超伝導では「電子対」というわけです。え？電子じゃないかって？

電子対≠電子であり、電子対＝電子×2（電子”対”だから）

実際電子ではありません。電子対は電子とは異なる「粒子」としてみなすのです。おいおい、「電子対」が粒子ってどういうことだよ。と思ったかもしれませんが、電子対になることで電子とは異なる粒子を作ります。これは物理的に言えば「クーパーペア」といいます。

電子だと超伝導じゃないのかと思われますが、その通りで、電子だと「常伝導」といいます。は？常伝導って何？と思うかもしれませんが、簡単に言えば「超伝導ではない状態＝常伝導」です。

超伝導が電子対で、常伝導が電子です。

共通点は多い

実は、この電子対というのはボース粒子的振る舞いをすることがわかっており、電子はフェルミ粒子的振る舞いをすることがわかっています。

常伝導と超伝導という言葉が出てきましたが、これは先ほどの水と氷という関係とまったく同じです。水が氷になるのを「相転移」といいますが、常伝導が超伝導になるのを「量子相転移」といいます。

そして、水は冷やせば氷になるし、熱すれば水蒸気になるように、常伝導は、冷やせば超伝導になります。しかし、それは「電子」を冷やすのではなく「電子が在る物質」を冷やすと起こります。

先ほど、量子相転移とは言いましたが、対称性の自発的破れという表現もできます。

電気抵抗がなくなるってマジ？

それはマジで、超伝導状態の物質は電気抵抗がゼロになります。そして、付け加えると、超伝導状態の物質は原子などの並びが、常伝導の時のそれとやや異なります。というか、やや異なるから超伝導になれるとも言えます。異なることによって電子対が生まれるからです。

ごみを捨てた後に気分がよくなるのと同じです。

ということで、超伝導をかなり適当に解説しました。物理はすでにいろいろ偉人たちがこねくり回したので、あまり難しいことは深くやらなくてもいいと考えています。フィーリングとフレームワークだけ掴んで、この感覚をほかの分野に何となく使っていけばいいんではないかと思っています。