貴金属はどうして超伝導にならないか

質問

貴金属(金銀銅)はどうして超伝導にならないのか、
すみませんが、お願いいたします。

最近、金がなったとかいう話も聞いたような、、、
違ったかな。

犬の骨が理由なんてことはありませんよねえ。

回答No.6

physicist_naka · ベストアンサー

少し古いですが関連する記事を見つけましたので参考にしてください。
パリティの1993年No.8の、p20～p21です。
書いてあることをまとめると以下のようになります。

・貴金属（金銀銅）が0.1mK以上で超伝導にならないのは、フェルミエネルギーにおける電子状態密度が小さく、電子－フォノン相互作用が弱いからである。
・Rh（Tc=325μK）のTcが低いのは、おそらく交換相互作用によって、常磁性体におけるスピンのゆらぎが増強されるためだろう。
・Pd、Ptが約0.1mKまで超伝導転移は見出されていない。これはスピンのゆらぎがはるかに強いからである。
・おそらく純粋な金では超伝導が存在するに違いない。

お礼

ありがとうございます。是非図書館で読みたいと思います。
やはり、金はなるわけですか。益田先生の退官記念講演
が紹介されているweb(内容はよく覚えていないのですが、、)に、
やはり、「金の超伝導」という小項目があったので、それだけ
覚えていたのです。
大変勉強になりました。これからもよろしくお願いいたします。

回答No.5

physicist_naka

> >>硬くても
> そうですね。デバイ温度は比例するだけなので、なるかならないか
> を決めるのは指数関数の上の相互作用の方だというわけですね。

そのとおりですが、ひょっとして相互作用の方が硬さと何か関係があったりしないかなと少し気にはなりますが・・・

> >>Pt
> 白金は磁化の温度変化も大きいし、多少遍歴的なのかな、と思った
> のですが、これも他の白金族で超伝導になっているという
> ことですから、多分、理由にはならないわけですね。

あっ、そういう意味ですか。そういうことでしたら「Ptは、dが抜けているから」というのは正解のような気がします。

以下ちょっと自信がないですが・・・
遍歴電子系（と言っていいのかな?）のPt（特にPd）は電子間のスピンが同じ向きにそろう傾向があるようですので、通常スピンが逆向きの電子がクーパー対（ｓ波）を作ることを考えると、超伝導にはなりにくそうです（ｐ波対は出来てもいいのかも）。

回答No.4

siegmund

siegmund です．
もう蛇足ですが...

> やわらかくて超伝導になる物質として、In(3.4)、Pb(7.2)、Sn(3.7)
> といったものがありますので（括弧内の数字は転移温度で、単位はK）
In は少なくとも室温ではずいぶん軟らかいです．
ボールペンのお尻で押すくらいで簡単に変形します．
電極にリード線を圧着するのに使われたりします．

http://www-miyakelab.mp.es.osaka-u.ac.jp/COE/kouatsu.htm
に単体元素の超伝導の表が載っています．ちょっと古いのが難ですが．
この表を見ると，Cs も加圧下で超伝導になるようですね．
へ～，アルカリ土類は Mg の他は超伝導になるんだ．
Fe も高圧下で超伝導が見つかったので，Cr,Mn,Co,Ni も可能性がありそうです．
あとは貴金属と希ガスか．

う～ん，超高圧というのは恐ろしいですね．

お礼

そうでした。半田もなるくらいですから、柔らかいのは、
影響は少ない(というより、そんなに単純でない？)と思って
いいようですね。

>>単体元素の表
Tcの表(もちろん、これも勉強になりました)よりも、
(教えていただいた表をたぐって行った所に)
ビッグな名前が勢ぞろいしていてびっくりしました。

回答No.3

physicist_naka

「たとえ硬くても、電子－フォノン結合が弱いからならない」の後半はいいのですが、前半の「硬くても」というところは私はよくわかりません。やわらかくて超伝導になる物質として、In(3.4)、Pb(7.2)、Sn(3.7)といったものがありますので（括弧内の数字は転移温度で、単位はK）。アルカリ金属が超伝導にならないのは、これもたぶん電子－フォノン結合が弱いからと思うのですが。

それから、参考までに白金族の超伝導体の転移温度をあげておきます。転移温度は低めですね。
　Ru：0.49K
　Rh：0.0003K　<-- 抜けてました。
　Os：0.65K
　Ir：0.14K

> Ptは、dが抜けているから、ならなくてOKと思い込んでいましたが、

の件ですが、d電子が抜けて磁気モーメントを持っているから超伝導にならないということでしょうか。しかしPtは磁気モーメントは持っていないと思うのですが。

お礼

ありがとうございます。
>>硬くても
そうですね。デバイ温度は比例するだけなので、なるかならないか
を決めるのは指数関数の上の相互作用の方だというわけですね。

>>Pt
白金は磁化の温度変化も大きいし、多少遍歴的なのかな、と思った
のですが、これも他の白金族で超伝導になっているという
ことですから、多分、理由にはならないわけですね。

回答No.2

physicist_naka

私は超伝導の分野は専門家といわざるを得ない立場にあるのですが、あまりたいしたことは言えません。このあたりは勉強不足です。部屋にある本をひっくり返して、わかったところを回答します。

貴金属は通常、金、銀、白金族を指しますが、「貴金属は超伝導にならない」と言うときは、おっしゃるように金銀銅を指します。参考までに、白金族のRu、Os、Irは超伝導になります。

通常、超伝導は、フォノンによる電子間の引力でクーパー対を作ることによって発現します。ですから、高い転移温度を持つためには、フォノンと電子の結合が強い必要があります。その結果、常伝導状態でのフォノンによる電気抵抗は大きくなり、良導体でない方が超伝導になる傾向があります。ところが、金銀銅といった貴金属は良導体のため、超伝導にはなりにくい物質です。

フェルミ面の形状が転移温度にどのように影響するかは勉強不足でわかりません。
また、最近金が超伝導になったという話は聞いてませんが、これも単に私が勉強不足なだけかもしれません。

それから昔誰が言ったのか忘れましたが、確か「磁気的な転移を起こさない物質は、必ず超伝導になる」という有名な言葉があります。これが正しいかまだ誰もわかりませんが、正しいとすると、「貴金属も超伝導になる」ということになりますね。

お礼

ありがとうございます。
なるほど、「たとえ硬くても、電子－フォノン結合が弱いからならない」
ということで(定性的な説明では)良いのでしょうか。非常にわかり
やすいのですが。

>>貴金属は、金、銀、白金族を、
Ptは、dが抜けているから、ならなくてOKと思い込んでいましたが、
OsやIrは、超伝導になるのですね。うーん。

これからもよろしく御願いします。

回答No.1

siegmund

> 貴金属(金銀銅)はどうして超伝導にならないのか、

誰も決定的な答はもっていないのではないかと思います．
超伝導発現の条件を精密に知ると言うこととほぼ同義ですから．
私がそれを知っていれば論文書いてノーベル賞もらっているか，
それを応用して室温超伝導物質見つけて特許取って大金持ちになっているかです(^^)．

> 犬の骨が理由なんてことはありませんよねえ。
貴金属はフェルミ面が隣のブリルアンゾーンと接していて，
ちょうど犬の骨(犬がくわえて遊ぶ骨，と言う意味です)みたいになっているから，
よくそう表現しています．
犬の骨がのため？　う～ん，私にはよくわかりません．
アルカリ金属のフェルミ面はほぼ球形ですが
(たしかリチウムのフェルミ面はビリヤードの球よりきれいな球だと聞いた覚えがあります)，
超伝導にはなりません．
したがって，犬の骨かどうかが決定的ということにはならないような気がします．

> 最近、金がなったとかいう話も聞いたような、、、
ちゃんと追跡しているわけではないので，金のことはよく知りません．
最近有名なのは，酸素，鉄，カルシウム，ヨウ素, 臭素, イオウなどが
超高圧下(～100 万気圧)で超伝導になったという話です．
酸素なんて大体分子性結晶でそもそも電気伝導がほとんどないように思われますが，
超高圧下ですと大分様相が違うようです．
鉄も強磁性ですから，超伝導とは仲が悪そうですが...
この仕事に対して平成13年度仁科記念賞が授与されています．
http://www.nishina-mf.or.jp/news/amaya.htm

参考URL：

http://www.nishina-mf.or.jp/news/amaya.htm

お礼

ありがとうございます。

アルカリ金属は柔らかいからならないのだと言い訳
することが出来るので、不思議とは思わなかったの
ですが、貴金属は硬いですから、ならないということ
自体はよしとしても、一言くらい説明がつかない
のかな、と思っていました。「誰も決定的な」という
ことを伺い、少し安心しました。

天谷氏の鉄の話は有名ですが、酸素もですか、、、。
鉄が、高圧下でフェロで無くなって、、と書いてあり
ましたが、依然としてパラなのか、非磁性なのかは
面白そうですね。

これからもよろしくお願いいたします。

P.S. 「金が最近」はどうも私の勘違いのようですね、すみません。