超伝導体がなぜ超伝導になるのか教えてください

質問

超伝導体の中では、電子が不純物（原子核）と衝突した場合に得る（または失う？）エネルギーがエネルギーギャップよりも小さくなるため、電子は不純物とぶつからないのだ、という意味のことを本で読みました。
　超伝導体の中で電子が得る（または失う？）エネルギーがエネルギーギャップよりも小さくなるのは、なぜなのでしょうか。
　また、超伝導体の中のこうした不純物（原子核）を「転位」というそうですが、それはどういう意味から不純物を転位と呼ぶのでしょうか。

また、超伝導が低温でなければならないのはなぜでしょうか。
電子がペアになって動かなければならないからだと聞きましたが、なぜ低温なら電子はペアになって動けるのでしょうか。また、ペアになったらなぜ超伝導になるのでしょうか。

何卒よろしくご教示のほどお願い申し上げます。

回答No.3

chiha2525 · ベストアンサー

エネルギーが小さくなるのは、ボーズアインシュタイン凝縮というものが起きているからだと考えられています。

ボース＝アインシュタイン凝縮
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9C%E3%83%BC%E3%82%B9%EF%BC%9D%E3%82%A2%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%82%B7%E3%83%A5%E3%82%BF%E3%82%A4%E3%83%B3%E5%87%9D%E7%B8%AE

この世界にはフェルミ粒子というスピンn/2（半整数）のものとボーズ粒子というスピンn（整数）のものがあります。電子は1/2で光子は1です。ボーズ粒子は複数のものが同じ状態になってもよい（光を虫メガネで１点に集めることができる）のですが、フェルミ粒子は１つの状態に１つのものしか存在できないものです（パウリの排他原理）。スピンによってそのような違いが出てくる数学的な裏付は下記を参照。

ボース粒子
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9C%E3%83%BC%E3%82%B9%E7%B2%92%E5%AD%90

電子はフェルミ粒子ですが、その２つがペア（クーパーペア）になればボーズ粒子のように振舞うのではないかという考えで、超伝導を説明したのがBCS理論です。

BCS理論
http://ja.wikipedia.org/wiki/BCS%E7%90%86%E8%AB%96

ペアには引力が必要なのですが、それがBCS理論の電子-格子相互作用を介したフォノンの交換だけではなく、別の「何か」が引力として作用しているのではないか？というのが、高温超伝導を説明する１つのアイデアです。

転位は、結晶中の原子の並びが１つ少なくなってずれているような所をいいます。その様な歪のある場所では、同じ原子が並ぶよりも、異なる大きさの不純物が入るほうが安定するので、転位は不純物と書いてあるのでしょう。

高温超伝導は、転位にある不純物が電子同士の引力として何らかの作用を起こしているのではないか、という話が書かれているのではないかと思われます。

お礼

おかげさまで、目の前の霧が晴れたような気がします。
ご回答ありがとうございました。

回答No.2

leo-ultra

確かに高温超電導体のメカニズムは学会のえらい先生方がみんな納得する説は出ていないと思いますが、
あまり超伝導になる温度の高くない金属に関する理論として1960年代に提案されたBCS理論というものがあり、これは学会の多くの人が正しいとしています。

> 超伝導体の中では、電子が不純物（原子核）と衝突した場合に得る（または失う？）エネルギーがエネルギーギャップよりも小さくなるため、電子は不純物とぶつからないのだ、

量子力学（フェルミの黄金律）によると、電子が不純物と衝突して別の状態に移ろうとした場合、
その移る先の状態が存在しない場合は、衝突自体が起こらないということだそうです。

超伝導ギャップがあるということは、そのエネルギーの範囲に状態が存在しないということです。
結果として、電子の散乱は起きないことになります。

不思議に感じられたら量子力学を勉強して下さい。

>　超伝導体の中で電子が得る（または失う？）エネルギーがエネルギーギャップよりも小さくなるのは、なぜなのでしょうか。

電子が得るエネルギーが超伝導ギャップよりもエネルギーが小さい場合は、上に書いたように状態がないので
電子の散乱は起こりません。エネルギーが大きい場合は、散乱が起こります。超伝導が局所的に壊れるわけです。　つまり、常に電子の得るエネルギーが小さいわけではありません。

> 超伝導体の中のこうした不純物（原子核）を「転位」というそうですが

別の話と混乱していると思います。　転位が関係するのは第２種超伝導体中の磁束が転位にピン止めされる場合で、まったく違う話です。「転位」は固体物理の教科書を読めば載っています。

お礼

ご回答ありがとうございました。

回答No.1

papapa0427

超伝導の仕組みはまだ解っていません。

たまたま超伝導が超低温で起きたため、同じ低温でも少しでも温度を高くしようと色んな金属や素材がテストされている状態です。

もし、超伝導の仕組みが発見されればノーベル賞ものでしょう。

参考URL：

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%B6%85%E4%BC%9D%E5%B0%8E