室温超伝導体は私たちを未来へと導くかもしれない

更新（2023年11月9日）：今週、ネイチャー誌は、電気抵抗データに疑問を呈した共著者や他の物理学者の一部の要請により、ルテチウム超伝導の研究論文を撤回しました。室温超伝導の実現の難しさやルテチウムの主張をめぐる論争に焦点を当てた以下の記事は、撤回を反映して更新されました。

将来的には、海底を電線が横断し、大陸から大陸へ電力を簡単に送ることができるようになるかもしれない。こうしたケーブルは、巨大な風力タービンからの電流を運んだり、浮上する高速列車の磁石に電力を供給したりする。

これらすべての技術は、物理学界で長年追い求められてきた驚異、つまり金属が電力を一切失うことなく電流を流すことができる高度な物理的特性である超伝導に依存しています。

しかし、超伝導は氷点下でしか機能せず、ほとんどのデバイスには低すぎる。これをもっと有効にするには、科学者たちは同じ条件を常温で再現する必要がある。物理学者たちは1911年から超伝導について知っていたが、室温での超伝導体は砂漠の蜃気楼のようにいまだに実現されていない。

超伝導体とは何ですか?

すべての金属には「臨界温度」と呼ばれる点があります。金属をその温度以下に冷却すると、電気抵抗がほぼ消え、荷電原子の移動が非常に容易になります。言い換えると、超伝導ワイヤの閉ループを流れる電流は永遠に循環する可能性があります。

現在、標準的な電線の電気抵抗により、電力の一部が自然に熱として逃げてしまうため、発電機と消費者の間で主電源の 8 ～ 15 パーセントが失われています。超伝導電線を使用すれば、こうした無駄をすべて排除できます。

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もう一つの利点もある。コイル状の電線に電気が流れると磁場が発生するが、超伝導電線はその磁気を強める。すでに超伝導磁石はMRI装置に電力を供給し、粒子加速器がループ状に対象物を誘導するのに役立ち、核融合炉でプラズマを形成し、建設中の中央新幹線のような磁気浮上式鉄道の推進に利用されている。

温度を上げる

超伝導は素晴らしい能力だが、物理学では寒さという制約によってその能力が弱められている。ほとんどの既知の物質の臨界温度は絶対零度（華氏マイナス 459 度）をわずかに上回る程度である。たとえば、アルミニウムは華氏マイナス 457 度、水銀は華氏マイナス 452 度、延性金属のニオブは華氏マイナス 443 度と温暖である。何かをその極寒の温度まで冷やすのは面倒で非現実的である。

科学者たちは、銅酸化物（銅と酸素を含むセラミックの一種）などの珍しい材料を使ってテストすることで、限定的にそれを実現しました。1986年、IBMの研究者2人が華氏マイナス396度で超伝導する銅酸化物を発見し、この画期的な発見によりノーベル物理学賞を受賞しました。その後すぐに、この分野の他の研究者が、銅酸化物超伝導体を華氏マイナス321度（液体窒素の沸点）を超えてまで押し上げました。液体窒素は、それまで必要だった液体水素やヘリウムよりもはるかに入手しやすい冷却剤です。

「それはとても興奮した時代でした」とメリーランド大学の物理学者リチャード・グリーン氏は言う。「人々は『室温まで到達できるかもしれない』と考えていました。」

それから30年以上経った今も、室温超伝導体の探索は続いている。物質の特性がどうなるかを予測できるアルゴリズムが備わったことで、多くの研究者は実現にかつてないほど近づいたと感じている。しかし、彼らのアイデアの中には物議を醸すものもある。

複製のジレンマ

この分野が前進している方法の 1 つは、銅酸化物から水和物、つまり負に帯電した水素原子を持つ物質に関心を向けることです。2015 年、ドイツのマインツの研究者は、華氏マイナス 94 度で超伝導する硫黄水素化物で新記録を樹立しました。その後すぐに、研究者の一部は希土類元素ランタンの水素化物で自らの記録を破り、水銀を華氏マイナス 9 度、つまり家庭用冷凍庫の温度程度まで押し上げました。

しかし、ここでも問題があります。臨界温度は周囲の圧力が変化すると変化しますが、水素化物超伝導体には、かなり人間離れした圧力が必要なようです。ランタン水素化物は、150ギガパスカル以上の圧力でのみ超伝導性を達成しました。これは、地球の中心核の圧力とほぼ同等で、地上で実用的な目的に使用するには高すぎます。

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ニューヨーク州北部のロチェスター大学の機械工学者が、別の希土類元素であるルテチウムから作られた水素化物を発表したとき、どれほどの驚きがあったか想像できるだろう。その後撤回されたが、彼らの研究結果によると、ルテチウム水素化物は華氏約70度、1ギガパスカルで超伝導する。これは海面気圧の1万倍だが、工業用ツールとして使用できるほど低い。

「高圧ではありません」とバッファロー大学の理論化学者エヴァ・ズレック氏は言う。「再現できれば、この方法は非常に意義深いものとなるでしょう。」

しかし、科学者たちは以前にもこの種の試みを目にしたことがある。2020年、同じ研究グループは炭素と硫黄の水素化物で室温超伝導を発見したと主張した。当初は大騒ぎになったが、同僚の多くがデータの取り扱いを誤り、研究を再現できないと指摘した。最終的に、ロチェスター大学のエンジニアたちは屈し、その論文も撤回した。

現在、彼らはルテチウム超伝導体に関して同じ問題に直面している。「これは本当に検証されなければなりません」とグリーン氏は言う。初期の兆候は不吉だ。中国の南京大学のチームが最近、この実験を再現しようとしたが、成功しなかった。

「多くのグループがこの研究を再現できるはずだ」とグリーン氏は付け加えた。「これが正しいかどうかはすぐにわかるだろう」

しかし、この新しい水素化物が最初の室温超伝導体となるとしたら、その先はどうなるのでしょうか。技術者たちは明日から地球全体に送電線を張り始めるのでしょうか。そうではありません。まず、この新しい材料がさまざまな温度やその他の条件下でどのように動作するか、そしてより小さなスケールではどのように見えるかを理解する必要があります。

「まだ構造がどうなっているかは分かっていません。私の意見では、高圧水素化物とはかなり異なるものになると思います」とズーレック氏は言う。

超伝導体が実現可能であれば、技術者はそれを日常生活で使えるように作る方法を学ばなければならない。しかし、もし成功すれば、その結果は世界を変えるような技術の贈り物となるかもしれない。