この一方向超伝導体は永遠の電気への一歩となるかもしれない

コンピューターが過熱することなく永遠に流れる電気で動作することを想像してみてください。これは魔法ではありません。これは、最先端の磁気研究から MRI まで、あらゆるものの基盤となっている超伝導と呼ばれる現実の現象の潜在的な未来です。

現在、科学者たちは、これまでとは異なる超伝導体を作れることを発見した。この超伝導体は、電気を一方向にしか流さない。下り坂を走る電車のように、片側には自由に滑るが、もう片側には恐ろしい上り坂がある。難解に聞こえるかもしれないが、この能力は、コンピューターを動かすような電子回路を作るのに不可欠だ。科学者たちの研究結果が正しいとすれば、その未来に一歩近づくことになるかもしれない。

「今では非常に多くの楽しい可能性がある」と、オランダのデルフト工科大学の物理学者で、4月27日にネイチャー誌に論文を発表した著者の一人であるマザール・アリ氏は言う。

超伝導は、物理学の本来の働きに反するものです。通常、電流が電線に沿って流れると、内部の電子は強い抵抗を受け、電線を構成する原子にぶつかります。電気エネルギーは失われ、多くの場合熱になります。これが、電子機器を触ると熱く感じる大きな理由です。また、効率も大幅に低下します。

しかし、電気を通す物質を極低温にすると、科学者が臨界温度と呼ぶ点に到達します。正確な臨界温度は物質によって異なりますが、通常は極低温領域、つまり絶対零度（物理学で許容される最低温度）よりわずかに高い温度です。臨界点では、物質の抵抗が崖から落ちて実質的にゼロになります。これで、超伝導体ができたことになります。

抵抗のない電気とはどのようなものでしょうか。それは、電流が理論上は永遠に電線を流れていき、消散しないことを意味します。永久運動が不可能であるはずの物理学において、これは驚くべき成果です。

量子物理学のこの魔法のような奇妙な現象は、1911年にオランダの学生が偶然発見して以来、知られていました。今日、科学者は超伝導を利用して、マウスの脳内の磁場など、極めて小さな磁場を観察しています。エンジニアは、磁石の周りに超伝導線を巻き付けることにより、病院のMRI装置から次世代の日本の新幹線まで、あらゆるものを動かす低エネルギーで高出力の電磁石を作ることができます。

アリ氏とその同僚たちが研究に取り掛かったとき、おそらく新幹線のことは頭になかっただろう。「実際、私のグループは、一方向の超伝導を実現するという目標を持ってこの研究に取り組んでいたわけではありません」とアリ氏は言う。

アリ氏のグループは数年前から、ニオブ（特定の種類の鋼や特殊な磁石によく使われる金属）と臭素（塩素やヨウ素に似たハロゲンで、難燃剤によく使われる）の原子から作られた、Nb3Br8という印象的な名前の金属の特性を調査し始めていた。

研究チームが Nb3Br8 のシートをどんどん薄くしていくと、実際に導電性がどんどん高くなることが分かりました。これは珍しいことです。さらに調査するために、彼らはサンドイッチを作るという、すでに試された手法に目を向けました。既知の超伝導体 2 枚がパンで、Nb3Br8 が中身です。研究者たちは、サンドイッチに Nb3Br8 がどう影響するかから、Nb3Br8 についてさらに詳しく知ることができました。そして調べてみると、一方向の超伝導体を作ったことが分かりました。

アリ氏のグループが作ったものはダイオードによく似ている。ダイオードは、電気を一方向にのみ伝導する部品である。ダイオードは現代の電子機器に広く普及しており、コンピューターを動作させるロジックを支える上で極めて重要である。

しかし、アリ氏と彼の同僚たちは、彼らが作った物体でこの効果がどのように働くのかを完全には理解していない。また、結局のところ、それは「一方向の超伝導がどのように起こるのかという私たちの現在の理解に反する」とアリ氏は言う。「隠された新しい物理現象を明らかにするには、基礎研究も数多く行う必要がある」。

物理学者が一方通行の超伝導道路を建設したのは今回が初めてではないが、これまでの建設には一般的に磁場が必要だった。超伝導体を操作する上ではよくあることだが、エンジニアの仕事はより複雑になる。

「磁場をかけるのは面倒だ」と、論文の著者ではないシカゴ郊外のアルゴンヌ国立研究所の物理学者アナンド・バッタチャリア氏は言う。例えば、エンジニアが超伝導体内のさまざまな部分を操作したい場合、磁場は手ごわい課題となる。「非常に局所的に、小さな物体 1 つに磁場をかけるのは実際には不可能だ」

超伝導体を使った電子機器を作ることを夢見る人々にとって、電気を一方向に送る能力は強力なインスピレーションとなる。「低温で非常にクールなデバイスアプリケーションを想像できるでしょう」とバッタチャリヤ氏は言う。

こうしたデバイスには、明らかにホストとなるものがあると一部の科学者は考えている。それは、原子などの粒子を利用して、従来のコンピューターではできないことを実行するデバイスを作る量子コンピューターだ。問題は、量子コンピューターはわずかな熱でも機能しなくなるため、エンジニアは絶対零度よりわずかに高い温度を保つ極低温冷凍庫で製造しなければならないことだ。問題はさらに複雑になる。通常の電子機器は、そのような温度ではうまく機能しない。一方、極低温の超伝導ダイオードは、うまく機能するかもしれない。

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従来のコンピューターも恩恵を受ける可能性がある。おそらく、個人のコンピューターやラップトップではなく、産業用スーパーコンピューターのようなもっと大きなコンピューターだ。世界のデータセンターに並ぶ巨大なサーバーラックも恩恵を受ける可能性がある。サーバーラックは世界のエネルギー消費量のなんと 1% を占め、中規模国全体に匹敵する。データサーバーに超伝導体を取り入れることで、エネルギー効率が何千倍も向上する可能性がある。

それが実現するまでには、まだ道のりは長い。次のステップの一つは、一度に多数の超伝導ダイオードを製造する方法を見つけることだ。もう一つは、それらを液体窒素の沸点である-321°F以上で動作させる方法を見つけることだ。その温度は非常に低いように思えるが、現在のデバイスに必要な液体水素によって供給されるさらに低い温度よりも実現しやすい。

こうした困難にもかかわらず、アリ氏はグループの研究の将来に期待を寄せている。「私たちは、この 2 つの道に取り組むための非常に具体的なアイデアを持っており、今後 2、3 年でさらに画期的な結果が得られることを期待しています」とアリ氏は言う。