材料系物理工学 第6回 2003.12.01

物理システム工学科4年次、月曜2限(プレハブ第2講義室)第8回超伝導の基礎

佐藤勝昭教員(4号館514号室、内線7120e-mail: satokats@cc.tuat.ac.jp



復習コーナー(第6回)
磁気抵抗効果

1.        半導体・半金属における正のMR:ローレンツ力

2.        磁性半導体に見られる負のMR:スピン無秩序散乱

3.        強磁性体の異方性磁気抵抗AMR

4.        磁性体/非磁性体/磁性体構造の巨大磁気抵抗GMR

5.        磁性体/絶縁層/磁性体構造のトンネル磁気抵抗TMR

復習コーナー(第7回)
超伝導

1.        マイスナー効果をYBCOを用いた実験で体験

2.        電気抵抗の温度変化を佐藤研実験室で見学

超伝導の歴史

      1911年オランダ、ライデン大学のカマリンオネスが、純粋金属の電気抵抗の温度変化を測定する一連の研究の中でHg(水銀)の超伝導を発見。

      この発見は、彼が1908年にヘリウムの液化に成功したことが、きっかけとなっている。

 

超伝導の歴史
Hgの電気抵抗の温度変化

·       カマリンオネスは当時最も純粋であったHgが極低温でどのような残留抵抗値を示すかを調べていた。

·       その過程で、4K付近で、0.1W 程度の値から一挙に10-6W 以下の測定できなくなることを発見、超伝導と名付けた。

·       その後、多くの金属・合金・化合物にも発見された。

 

マイスナー効果

·       1933Meissner, Ochsenfeldは、超伝導体の外側の磁界を調べて、磁界中で超伝導体を冷却した場合にも、磁束は超伝導体から完全に排除されていることを見出した。これを完全反磁性またはマイスナー効果という。

·       このことにより、超伝導体は完全導体ではないことが確認された。

完全導体と超伝導体のちがい

·       完全導体だとすると、無磁界中で冷却して磁界をかけると磁束が排除され、始めに磁界を加えておいて冷却したときは磁束に変化はなく、磁界を取り去ると内部の磁束が保持される。

·       (第1種)超伝導体を、無磁界中で冷却し後から磁界を加えたときも、磁界中で冷却したときも、同じように超伝導体から磁束は排除される。経過した過程によらない。

ロンドンの理論

·      
1935F.LondonH.Londonの2人は、マクスウェル方程式に新たな方程式を付け加えると、マイスナー効果が電磁界の方程式の解として得られるということを明らかにした。この方程式をロンドン方程式という。

·       電流が常伝導電流Jnと超伝導電流Jsから成り立つとして、JsがベクトルポテンシャルAに比例するという考えである。すなわち Js=-c2e0l-2A
ここにlはロンドンの侵入長で磁束のしみこむ長さである。

      両辺のrotをとると、rotJs=−ce0l2B

·       マクスウェル方程式より
Ñ2B=B/l2(s/c2e0 )B/t+(1/c2) 2B/t2

·       Bの時間変化が緩やかなときこの式の解はB=B0exp(-x/l)となる

BCS理論

·       1957Bardeen, Cooper, Schriefferは、後にBCS理論と呼ばれる理論を発表した。

·       そのポイントは、次の通りである。電子は単独ではフェルミ粒子なので1つの状態に上向きスピンと下向きスピンの2つの電子しか収容できないが、互いに逆向きのスピンと運動量をもつ2つの電子が電子対(クーパー対)を作ってボース粒子となると、すべての粒子がエネルギーの最も低い状態が実現する(これをボース凝縮という)。

·       クーパー対の広がりの程度がコヒーレンス長で、常伝導体中の電子間の平均距離に比べて100倍以上広がっている。これが超伝導状態である。

第2種超伝導と超伝導磁石

·       超伝導が発見されてから50年近く、超伝導電磁石を実用化することができなかった。これは、磁束の侵入によって超伝導が壊れてしまうためであった。この問題を解決したのが、第2種の超伝導体の発見であった。

·       第2種超伝導体内で磁束はボルテックスと呼ばれる量子化された渦糸状態となって侵入する。

·      

1961年のクンツラーによるNb3Snの発見により、超伝導電磁石実用化の道が開かれた。

第1種と第2種超伝導体の
M-H特性の比較

第1種・第2種超伝導体

ジョセフソン効果

·       1962年、当時ケンブリッジ大学の大学院生であったJosephsonが理論的に予想した効果で、2つの超伝導体が非常に薄い絶縁層を介して接合しているときに超伝導電子対のトンネル効果によって生じるさまざまな現象を総称して、ジョセフソン効果という。

·       この効果は、超伝導状態が巨視的な量子状態であり、巨視的な位相をもつことが基本となっている。

·       超伝導量子干渉デバイス(SQUID)として微小磁束の測定装置に利用されているほか、ジョセフソンコンピュータなどの電子デバイスが提案されている。


高温超伝導体の発見

·       1986年、スイスIBMBednorz, MullerLaBaCuO系の酸化物がTc=30Kの超伝導体であることを発見した。BCS理論ではフォノンを介する限り25Kが限界とされていたので驚きをもって迎えられた。

·       その後、 YBCO (Tc=93K) BSCCO (Tc=107K)Tl(Tc=125K), Hg(Tc=135K)などが相次いで発見された。

高温超伝導体における
マイスナー効果の実験

      高温超伝導体を臨界温度以下に冷却する。

      磁束は、マイスナー効果のために排除される。

      このため、永久磁石を置くと鏡映効果で同極性の磁極が誘起され、反発によって浮上する。

·      

磁石が超伝導体の上空にとどまるのは、磁束がボルテックスの形で侵入し、移動するとエネルギーを消費するので、ピン留めされるからである。