超電導。科学的発見の歴史と本質

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超電導。科学的発見の歴史と本質

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古代においてさえ、物質の凝集状態が外部条件に依存することは注目されていました。最も印象的でわかりやすい例は、水が氷と蒸気に変化することです。ガス (アンモニア) は 1792 年にオランダの物理学者 M. ファンマルムによって初めて液化されました。マイケルファラデーは 1823 年に始まり、塩素、二酸化硫黄、二酸化炭素などのいくつかのガスを一度に液体状態に変換しました。

中間ガスはかなり高温で液化するため、プロセスは難しくありませんでした。真のガスは別の問題です。彼らがそれらを液体状態に変えることができるまでに1877年以上かかりました. 1895 年、R. ピクテと L. カレテは液体酸素と液体窒素を入手しました。産業規模では、空気の液化は XNUMX 年にドイツの技術者 K. リンデによって行われました。

さて、すでに証明されたスキームを使用すると、他の気体を液体状態に変換するのは簡単であるように見えました。しかし、そこにはありませんでした。実際、大部分のガスは膨張中に冷えます。しかし、頑固な水素、ネオン、ヘリウムは「不正」に動作し、膨張すると発熱します。

XNUMX 世紀の終わり頃に解決策が見つかりました。液体水素とヘリウムを得るには、それらを比較的低温に予冷するだけでよいことがわかりました。

クラクフの Olshevsky、オランダの Kamerling-Onnes、イギリスの Dewar が同時に液体水素の入手を試みた。デュワーはこの競争に勝ち、10 年 1898 月 20 日に 14 立方センチメートルの液体水素を受け取りました。数か月後、彼は固体水素を手に入れることができました。絶対零度からわずか XNUMX 度しか離れていませんでした。

ジェームスデュワーは、優れた頭脳、優れた実験技術、優れた学識により、極低温技術の先駆者の XNUMX 人となりました。用語自体（ギリシャ語の「kryos」（冷たい）から）と有名な「デュワーフラスコ」の両方が彼のものであることは注目に値します。

しかし、ヘリウムは頑固に提出を拒否しました。 9 年 1908 月 1853 日になって初めて、ライデン大学の Heike Kamerling-Onnes 博士 (1926–29) がヘリウムを液化したというニュースが届きました。彼は、優れたオーガナイザーの能力を備えたシステムで、デュワーの直感と熟達に対抗しました。彼が XNUMX 歳で所長となった有名なライデンのカメルリンク・オンネス研究所は、XNUMX 世紀の最初の研究所のモデルと呼ばれています。

「実験の終わりに、カメルリング・オネスは固体ヘリウムを入手しようとした。彼は失敗した。その後、温度が1,38ケルビン、次に1,04ケルビンに達したときも失敗した。理由も理解できないまま、」とR.バフタモフは書いている。しかし、この奇妙な現象に直面した彼は、自らを退却させ、計画されたプログラムの次の点、つまりヘリウム温度での金属の特性の研究に移りました。

オンネスは金、プラチナの電気抵抗を測定し、水銀を取り上げました。そして、驚きが始まりました。 28 年 1911 月 27 日、彼は王立オランダアカデミーに、水銀の抵抗値が非常に低い値に達したため、「機器がそれを検出しなかった」と報告しました。 XNUMX月XNUMX日、メッセージが明確になりました。水銀の抵抗は徐々にではなく、急激に急激に低下し、「抵抗の消失」と言えるほど減少します。

1913 年 11 月に発表された論文の中で、オンネスは「超伝導」という用語を初めて使用しました。さらに50年後、彼はこの奇妙な現象について何かを理解し始めるでしょう。 XNUMX年もすれば、完全には程遠いものの、この現象は解明されるでしょう。オンネスは、ヘリウムの異常に高い移動度という、別のかなり奇妙な現象を何度か観察しました。しかし、それはすでに不自然すぎて、オンネスは何も理解しようとしませんでした。

彼はラインを続け、絶対零度にどんどん近づきました。彼は本質的に 0,83 つの方法を使用しました。液体ヘリウムの蒸気圧を下げるために、ますます強力なポンプを設置しました。最終的に、オンネスは 1926 ケルビンに達しました。どうやらこれが限界だったようだ。しかし、カメルリング・オンネスの死から1956か月後の0,00001年XNUMX月、カナダ人のウィリアム・ギオカのアイデアを発展させたアメリカ人教授ラティマーは、新しい冷却方法である磁気を提案しました。 XNUMX 年、オックスフォードのフランシスサイモンは、絶対零度の XNUMX 万分の XNUMX 度だけ高い XNUMX ケルビンの温度を取得しました。」

驚くべきことに、ヘリウムの液化からわずか XNUMX 年後に、その最もエキゾチックな特性である超流動性が発見されましたが、数千回の実験が行われました。しかしある日、カナダの科学者のグループが、結論を決定的に拒否しながら、あえて説明を加えた。「新しい現象に関して正しい結論を下すのは、XNUMX 年生でも難しいことではありません。しかし、液体の熱伝導率が突然何百万倍も増加するということを真剣に提案できるのは、成熟した経験豊富な物理学者だけです」と彼らは述べています。何度も。」

1938 年初頭、Nature は XNUMX つの論文を発表しました。それらのXNUMXつはソビエトの科学者のものでした P.L. カピツァ、もうXNUMXつはケンブリッジ大学のアレンとミゼナールに贈られました。彼らの結果と結論は一致しており、液体ヘリウムの流れにはほとんど粘性がありません。一般に受け入れられるようになった「超流動性」という用語を作ったのはカピツァでした。驚くべきことに、ヘリウム原子と金属の自由電子は同じように動作します。この発見により、超伝導と導体内の電子の流れの超流動という両方の現象を結び付けることが可能になりました。

超伝導は世紀の初めに発見されましたが、バーディーン、クーパー、シュリーファーが彼らの名前を冠した理論 (BCS 理論) を構築することにより、超伝導の現象を十分に説明できるようになったのは 1957 年のことでした。

「超伝導体で何が起こるのですか?」レゲは彼の本の中で尋ねます.「この質問に対する完全な答えは長くて複雑です.通常、XNUMXつの電子は真空中で互いに反発しますが、金属では原子核の正電荷が電子を遮蔽します.電子の負電荷を除去し、斥力がほぼ完全になくなる可能性がありますが、多くの場合、スクリーニングが不完全であり、超伝導は観測されません。

場合によっては、格子が電子の周りで収縮するため、その電子を包み込み、他の電子を引き付ける正電荷の雲が作成されます。その結果、電子間にわずかな引力が生じます。この引力は弱いため、電子がペアで移動するだけです。したがって、化学結合に似た結合がありますが、何千倍も弱い結合です。したがって、クーパー対は「XNUMX電子」分子に似ており、超伝導状態への遷移は、電子ガスがそのような「分子」からなるガスに変化すると考えることができます。同様の現象は化学でも起こります。たとえば、二原子酸素を加熱すると、冷却すると再結合できる単一の原子に分解されます。

金属中を移動する電子ガスは凝縮してクーパー対の液体になり、これを「凝縮物」と呼びます。このようなペアの半径は約 300 オングストロームで、隣接する原子間の距離 (数オングストローム) よりもはるかに大きい。クーパーペアの海では、ペア自体よりも短いさざ波や波を想像することは困難です。したがって、寸法が XNUMX オングストローム以下の格子の不均一性は、凝縮液の流れの障害にはならず、エネルギー損失は発生しません。これが超伝導の主な原因です。」

この発見のすべての結果を想像することはまだ困難です。超電導の効果は、日本の高速リニアモーターカーですでに成功裏に利用されています。 R. Bakhtamov は、「独自の特性を持つ超伝導磁気システムが作成され、機能しています。たとえば、ロッキードは 85 キログラムの重さで 15 エルステッドの磁場を生成する電磁石を構築しました。

磁場が 30 万から 40 万エルステッド、サイズが約 4 メートルの最大の超電導磁石は、ヨーロッパやアメリカの多くの加速器研究所ですでに機能しており、磁場が最大 170 万エルステッドの磁石が作成されています。

超伝導励起システムを備えたターボ発電機および水力発電機など、最大の電気機械を作成する作業が進行中です。

超伝導体は、コンピューターの作成においてまったく新しい可能性を開きます。現在の超電導システムは、膨大な量のデータを保存し、それを驚異的な速度で取得できる理想的なストレージデバイスです。

18 ～ 20 ケルビンで超電導性を維持する合金はすでに得られています。少なくとも 100 ケルビンの温度で特性を持つ物質の作成は、電気工学の革命につながるでしょう。現代科学は、問題は現実であり、その解決の結果は素晴らしいという一言で定義できると信じています。」

著者: サミン D.K.

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