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超伝導とは何なのか?

nem1.56xem (2) 272 1 1

ここでは超伝導について説明します。超伝導を学ぶことは、人工知能を作る上で重要になります。

現在、超伝導を用いて量子コンピュータが作られ、現在のコンピュータよりも格段に計算スピードが早く、人工知能を作る上で注目されています。

仮想通貨は今後、量子コンピュータに対応しなければならないとされています。そこで、超伝導の概要を知る必要があると感じ、以下の内容を書くことにしました

導体を流れる電流と電圧の関係はオームの法則で表され、
電圧の大きさ = 電気抵抗 × 電流の強さ
となります。つまり、電気抵抗が大きいほど電流が流れにくい事を意味します。これをミクロの視点でみると、電子が固体物質中を移動するときに結晶を作っている正イオンと衝突することで、電気抵抗が発生しています。従って固体物質の温度が高くなると、抵抗が増加します

絶対零度に近づけた時、正イオンの振動は小さくなる事で電流に対する邪魔がいなくなり、同時に電子も動かなくなるとされます。

つまり、電流が流れなくなることは、抵抗は無限大であることを意味します

このことを確かめるべく1911年にカマーリング・オンネス は水銀を極低温に冷却し、温度に対する電気抵抗の変化を測定しました。すると、水銀の温度を下げながら電気抵抗を測定したとき、絶対零度の手前の4.2 ケルビンで電気抵抗が突然消えることを発見しました。

この現象を超伝導といい、従来の電気抵抗が存在する 電気伝導を常伝導といい、超伝導が現れる温度を転移温度といいます。

この超伝導の理論的な説明はBCS理論で展開され、1957年に完成しました。そのきっかけになったのは、同位体効果です。同位体とは、原子核に含まれる陽子の数(原子番号)は同じだが、陽子と中性子の数の和(質量数)は異なる元素を言います。

同位体効果とは、同位体の量が大きいほど、転移温度が下がるという事です。

この効果が発見されると、超伝導は原子の熱振動と深く関わっていることが推測され、以下のようなことが考えられました。

固体中を伝わる音波を粒子(フォノン)とみなし、それがが転移温度以下になると、2個の電子の間でフォノンがやりとりされることで引力が生じる事で、クーパー対と言われるいつまでも離れない電子のペアを作り、クーパー対は集団を組んで固体中を移動をします。

そうなることで電子が正のイオンとぶつかっても周りの電子の強いスクラムで押さえつけられて散らばり乱れることなく、電流が流れ続けるというわけです。これが超伝導の仕組みです。

超伝導になった物質の特徴としてマイスナー効果というものがあり、超伝導体の上に磁石を置くと宙に浮くというものです。この現象を応用したのが、リニアモーターカーであります。
また、常温で超伝導が発生する物質があれば、電気抵抗による送電ロスがない送電線を開発できるようになるが、そのような物質はまだ見つかっていません。

そのような物質が見つかったら地球環境をよく出来そうなのになぁ・・・

参考文献
 小山慶太「入門 現代物理学 - 素粒子から宇宙までの不思議に挑む」中央公論新社 (2014/8/22)
 伊達 宗行「新しい物性物理―物質の起源からナノ・極限物性まで」講談社 (2005/6/21)
 矢口裕之「初歩から学ぶ固体物理学」講談社 (2017/2/21)

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Comments from NEMber
づ~
2018-10-14 17:47:52ID:3697

ニコラ・テスラが提唱した『地球システム』は どうだろうか

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