プルトニウム、実は超伝導体になる!?

その他
03 /04 2017
お久しぶりです。なんかめちゃくちゃ久しぶりなブログ更新な気がします。
今日は「核物質であるプルトニウムが超伝導体になる!」というネタをどうぞ★

超電導とは何か?

さてはて「超伝導」といえばリニアモーターカーや粒子加速器などで利用されているものです。
そもそも超伝導とは何か、と言うと電気抵抗がゼロになるという現象です。
普通のそこら辺にある電線などには電気を通しやすい銅などの金属が使われてますが、どうしても電気抵抗が存在しているのでロスが生じてしまうのです。

通常の物質では、電気を伝える電子はバラバラに動いているような状態であるため、
電気抵抗が少なからず存在する状態になってしまうわけです。
超低温の環境では電子2個が「クーパー対」というペアを組んで、その物質の電子が全て一緒くたに整った状態(コヒーレントな状態)になります。そのため、抵抗がゼロとなる超電導の状態になるのです。

電子は「フェルミ粒子(フェルミオン)」という種類の粒子なのですが、このタイプの粒子は「パウリの排他律」という制限によって全ての粒子が同じ状態になることができません。そのため、そのままでは全ての電子が同じ状態になるという超伝導は実現できなくなってしまう。しかし、電子がペアになると、そのペアは「ボース粒子(ボソン)」となります。「ボース粒子」は全てが同じ状態になることができるため、ペアとなった電子は全て整った状態になり、超伝導という状態が現れるのです。これが「BCS理論」と呼ばれるものです。

つまり超伝導というのは、量子レベルの現象が物質全体に及ぶという面白い現象なのです。
とにかくめちゃくちゃ温度を下げさえすれば超伝導状態になる物質というのはたくさんあるのですが、何度で超伝導になるか、というのは物質によって異なるのです。できればそんなに冷やさなくても超伝導になってくれる物質があれば、様々な面で応用しやすいというメリットがあります。

中には液体窒素よりも高い温度で超伝導になってくれる物質もありますが、実はこれらは前述の「BCS理論」では説明できないものもあるのです。物質の温度が40ケルビンを超えてくると、熱振動という現象によって電子のペアが壊れてしまうためです。そのため、こうした高い温度で超伝導になるという「高温超伝導体」や、有機物によって超電導が起きる「有機超伝導体」は従来の一般的なBCS理論とは異なる理論によって超伝導状態になっている「非従来型超伝導」と呼ばれるものなのです。そして、こうした特徴を持つ超伝導体は「エキゾチック超伝導体」と呼ばれたりしています。

プルトニウム超伝導体

さて、核燃料やら核兵器やらでおなじみの核物質「プルトニウム」。こちらも実は、コバルトとガリウムの合金である「PuCoGa5」、もしくはロジウムとガリウムとの合金である「PuRhGa5」といった化合物にすると、何と超伝導体になるのです!

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▲プルトニウム超伝導体「PuCoGa5」(Credit:LANL)

このプルトニウムが引き起こす超電導も、通常の超伝導体とは異なる「非従来型超伝導」です。これは特に「重い電子系超伝導体」と呼ばれるもので、セリウムやウランといった物質で生じる特殊な超電導です。

プルトニウムの原子の中には電子がいくつか存在していますが、その中でも「5f軌道」と呼ばれる場所にいる電子がこの通常と異なる超伝導の原因になっていると考えられています。「重い電子系」というのは、電子同士がお互い強く影響し合う事によって電子が動きづらい状態となり、そのために電子の重さが見かけ上大きくなってしまうという現象です。そのため「重い電子系」と呼ばれています。

普通の超伝導体は磁場があると電子のペアが作りにくくなってしまうため、基本的に「磁性」と「超伝導」は仲が悪いと考えられてきましたが、この重い電子系超伝導体の特徴は、「磁性と超伝導が共存できる」など不思議な性質があります。

またプルトニウムは放射性ですので、放置しているとどんどん無くなってしまいます。そのため超伝導体としてもその性質が時間とともに変化していったりします。

このプルトニウム超伝導体は中々、製品や技術などに応用できるものではありませんが、プルトニウムが持つ5f軌道の電子は、プルトニウム自身が温度に応じて複雑な「相変化」をする原因の一つにもなっているため、重い電子系超伝導に関する謎だけではなく、プルトニウム自身の性質を解き明かすことにもつながります。

物質には隠された色々な面白い性質があるかと思うとワクワクしますね!ヽ(=´▽`=)ノ✨
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ともにゃん

宇宙開発や原子力が大好きな魔法少女(文系成人男子)です。同人サークル「東方旅客鉄道」「隙間科学研究所」の中の人。絵描いたり同人誌書いたり。たまに女装コスプレイヤー。 人工衛星・宇宙探査機/原子炉・原子力電池/核兵器・軍事(現代兵器)/ゴスロリ女装/自作PC/まどマギ/東方/無線/バイク/鉄道/創作など。日本原子力学会員

88年生まれ
三重県出身 東京都在住