シカゴの画像

レオン・クーパー
_1930年2月28日 ~(ご存命中)


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 クーパと超電導

初めに、本稿は関連用語の解説が

中心となリます。今後も含め、

分かり易い内容にしたいので

超伝導現象を科学史の観点から

改めてまとめ直した方が

有益だろうと感じたからです。

既に内容を
ご承知の方にはしつこく感じるかと。
そうでしたらごめんなさい。

クーパーはジョン・バーディーン等と共に
BCS理論を確立しました。
クーパーはユダヤ系です。
賢い人達ですね。

そもそもBCS理論の大事な考え方
であるクーパー対という考え方を
クーパーは26歳の時に纏めています。

さて、本題です。1911年のK・オンネス
の発見により通常の伝導性とは異なる
超伝導状態が存在すると
明らかになりました。
定量的には絶対零度近くの
マイナス273℃=ゼロ・ケルビン(k)
に近づくと超伝導現象が起きます。
その時は抵抗値ゼロです。
例えばニオブ(Nb)は9.22ケルビンで
超伝導状態になります。超伝導状態への
転移を上手く説明した理論がBCS理論で
あってそこでのCはクーパーの名前に
由来します。

超電導の別の側面 

ここで別の側面から超伝導状態を考えます。温度を下げ相転移温度で現象が起きると電流を流した時に抵抗値がゼロになりますが同時に相転移温度で磁界に対して変化が生じます。現時点での応用としてリニアモーターカーがあげられます。細かくは超伝導体の内部で内部磁場がゼロになり、外部からの磁界を遮断します。

超伝導状態になった時に磁石が浮かぶ写真は有名な例えですね。更に磁石は極性を持ちますから、ラダーと呼ばれる軌道で極性を切り替えていく事でリニアモーターカーは進むのです。この完全反磁性またはマイスナー効果と呼ばれる現象は超伝導現象での特徴の一つです。

ここで関連して磁力線について整理したいと思います。ご存知の通り磁石はN極とS極からなり磁力を持ちます。一般的に模式図で示される様に磁力線は片方から他方へゆったりした曲線で繋がっていきます。

所が超伝導現象では内部へ磁力線が侵入出来ない様な現象が起きます。相転移の前後で形が突然変わります。更には変化の違いで第一種超伝導体 と第二種超伝導体に物質によって分かれます。これらの現象を理解する為にクーパー等が確立したBCS理論が基礎になっていくつのです。

クーパーのアイディアは電子が対(つい)になるというもので、対になった電子がスピンを打ち消しあって超電導状態を作るというものです。その電子の対は今でも超電導の学者達の間で「クーパ対」と呼ばれています。

この考えが発展していき、現代では相転移の温度がどんどん高くなっています。実用上は常温常圧下で相転移を起こすことが大事になっていますので液体ヘリウムよりも安価な液体窒素で冷やせる事が望ましいのです。実際、液体窒素の沸点は−196℃ですので現在は、液体窒素で冷やす事で相転移を実用出来る素材を中心に研究が行われて居ます。そして、現在では現象発生に対して「ゆらぎ」のメカニズムをより解明していこうという取り組みが進んでいます。さらなる今後の進展に期待しましょう。

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2020/09/16_初回投稿
2022/04/22_改定投稿

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(2021年11月時点での対応英訳)

Cooper and superconductivity

First, this article focuses on explanations of related terms. I wanted to make the content easy to understand, including in the future, so I felt that it would be useful to reorganize the superconducting phenomenon from the perspective of the history of science.

Do you feel persistent to those who already know the contents? If so, I’m sorry.

Cooper established the BCS theory with John Bardeen and others. Cooper is of Jewish descent. He’s smart people, aren’t he?

In the first place, Cooper summarized the idea of ​​Cooper pair, which is an important idea of ​​BCS theory, at the age of 26.

Well, the main subject. The discovery of K. Onness in 1911 revealed that there is a superconducting state that is different from normal conductivity.
Quantitatively, a superconducting phenomenon occurs when approaching minus 273 ° C = zero Kelvin (k) near absolute zero. At that time, the resistance value is zero. For example, niobium (Nb) becomes superconducting at 9.22 Kelvin. The theory that well explains the transition to the superconducting state is the BCS theory, where C comes from Cooper’s name.

Another aspect of superconductivity

Now consider the superconducting state from another aspect. When the temperature is lowered and a phenomenon occurs at the phase transition temperature, the resistance value becomes zero when a current is passed, but at the same time, the phase transition temperature changes with respect to the magnetic field. The current application is a linear motor car. In detail, the internal magnetic field becomes zero inside the superconductor, blocking the external magnetic field. The picture of a magnet floating when it is in a superconducting state is a famous analogy. Furthermore, since magnets have polarity, the linear motor car advances by switching the polarity in a trajectory called a ladder. This phenomenon called the complete antimagnetism or the Meissner effect is one of the characteristics of the superconducting phenomenon.

Here, I would like to organize the lines of magnetic force in relation to this. As you know, a magnet consists of N pole and S pole and has magnetic force. Generally, as shown in the schematic diagram, the lines of magnetic force are connected by a loose curve from one side to the other. However, in the superconducting phenomenon, a phenomenon occurs in which the lines of magnetic force cannot penetrate inside. The shape changes suddenly before and after the phase transition. Furthermore, it is divided into type 1 superconductors and type 2 superconductors depending on the substance due to the difference in change. The BCS theory established by Cooper et al. Is useful for understanding these phenomena.

This idea has evolved, and the temperature of the phase transition is getting higher and higher in modern times. In practice, it is important to cause a phase transition under normal temperature and pressure, so it is desirable to cool it with liquid nitrogen, which is cheaper than liquid helium. In fact, since the boiling point of liquid elements is -196 ° C, research is currently being conducted focusing on materials that can be used for phase transition by cooling with liquid nitrogen. At present, efforts are underway to further elucidate the mechanism of “fluctuation” in response to the occurrence of phenomena. Let’s look forward to further progress.