マイスナー効果 ( Meissner Effect )


  1. はじめに

    超伝導の基本的な性質のとして,電気抵抗 の消失とこのMeissner効果が挙げられる. Meissner効果とは,超伝導体に磁場を加えたとき,磁 場の強さが臨界磁場より小さい限り,磁力線が 超伝導体の内部に侵入しない現象である.


  2. 歴史

    1. Super Conductivity

      超伝導は1911年,オランダのH.Kamerlingh-Onnesに よって発見された.1908年,Onnesはヘリウム(He)の 液化に成功する.Onnesはまず,大量の液体空気が生 成できる空気液化機を製作することから始め,次い で大容量水素液化機を作り上げた(1906年).[ちなみ に,水素の液化にはじめて成功したのがイギリスの Dewarである(1898)].ヘリウムの液化に成功した Onnesは極低温での様々な物質の性質を調べる研究を 始めた.その1つが金属の電気抵抗の温度変化であ る.
      当時,水素の液化に成功したDewarは,比較的高純度 の白金(Pt)の電気抵抗を液体水素温度(20.397K)まで 測定していた.Dewarはこのような低温でもまだ電気 抵抗は残っているが,温度の低下とともにまだ減り 続けていることを見出した.しかし,温度低下とと もにその減り方に鈍りが生じており,この鈍りを Dewarは不純物による効果であると考え,純度によっ て電気抵抗の変化を生じないより高い温度領域での 温度変化を低温までのばしたところ,絶対零度にな らない前に電気抵抗がゼロになってしまう結果を得 ていた.ヘリウムの液化に成功したOnnesは同じ高純 度の白金で抵抗測定を行った.その結果,Dewarの観 測した低温領域での抵抗の鈍りは,ますます顕著に なり,最終的には温度によらない一定値をとること 見出した.これは,絶対零度で電気抵抗がゼロとな ると提唱したDrudeの理論では説明できない.不純物 に邪魔されない金属の固有抵抗のメカニズムを探り, 自由電子の正体にメスを入れるには,できるだけ不 純物を取り除く必要がある.Onnesは,室温で液体で ある水銀(Hg)であれば蒸発させて再び凝縮させる蒸 留法を繰り返すことによって,純粋にすることがで きることに目をつけた.その結果は劇的なものであ った.低温で残留抵抗は見られたものの,液体ヘリ ウムの沸点近くの約4Kで水銀の電気抵抗が突然測れ ないほど小さくなったのである.慎重なOnnesは何回 も測定を繰り返し,この変化が不連続であることを 結論づけた.すなわち,新しい状態,超伝導状態の 出現である.

    2. Meissner effect

      1933年,ドイツのW.Meissnerとその弟子R.Ochsenfeld は,純度の高いスズ(Sn)と鉛(Pb)の単結晶をつくり, 超伝導状態まで冷やして一様な磁場を加えたときの試 料周辺の磁場分布を丹念に測定を行った.Meissnerら が用いたのは細長い棒状試料である.磁場分布は臨界 磁場以上から磁場を下げてきた場合でも,超伝導状態 になれば試料内の磁場はゼロの分布をことが明らかに された.さらに驚くべきこととして,試料が常伝導状 態にある臨界温度以上の温度で磁場を加え,磁場を一 定に保ったまま温度を下げると,超伝導状態に移るや いなや試料内の磁場がゼロになりことが明らかにされ た.電気伝導がゼロであれば,電磁誘導の法則から超 伝導体内の磁場は幾通りもの値をもつことが示される. しかし,Meissnerらの実験結果は,超伝導体はいか なる場合でも静磁場を排除し,内部の磁場はゼロであ るというただ1通りの答えを導き出しており, Meissner効果が電気抵抗ゼロからは導けない独立な超 伝導の基本的性質であることを示している.

    3. London equation

      電磁誘導の法則は,どのような経過をたどるかによっ て幾通りもの超伝導体内の磁場を与える.その中には 磁場ゼロからスタートした場合も含まれている. F.LondonとH.Londonは仕組みはわからないが, Meissner効果は過去の経歴如何に関わらず,超伝導状 態は内部磁場ゼロという特別な解しか許さないという, 大胆な仮定を打ち立てた.この大胆な仮定の上に立っ て電磁誘導の法則を足がかりにして求められた磁場と 超電流の関係を表すLondon方程式は超 伝導の謎を推理する有力な手掛かりを与えることにな った.


  3. おわりに

    Meissner効果が起こる原因は,超伝導体に磁場を加えた ときその表面に超電流(Meissner電流)が流れ,この電流 のつくる磁場が超伝導体の内部でちょうど外部磁場を打 ち消すため(完全反磁性)である.超伝導体に磁 石を近づけると,Meissner効果のために磁石は強い斥力 を受け,浮き磁石の状態が実現する.これがリニアモー ターカーなどに応用されている.