超伝導のふしぎ～マクロな量子現象～
川上則雄
京都大学理学部 物理学第一教室
GCOE-市民講座
２００９年１０月３１日

Kyoto University

普遍性と創発性から紡ぐ次世代物理学－フロンティア開拓のための自立的人材養成－

京都大学
理学研究科

物理学・宇宙物理学専攻
グローバルCOEプログラム(2008年度より５年間）

Kyoto University

基本法則からは容易に推測できない
創発： 新しい現象の発現
DNAの二重螺旋構造

超伝導現象
予言可能 ?
実験によりはじめて認識

電気
抵
抗基礎方程式

絶対温度

超伝導発見のデータ(1911年）

Wikipediaより

Congratulations !!
Nobel Prize 2008

Nambu
対称性の自発的破れの理論

Kyoto University

Maskawa
Kobayashi
６種のクオーク予言「創発」の父

創発！
量子論を超えて。。。

マクロな量子現象
超伝導・超流動Kyoto University

物理学
素粒子、原子核、宇宙物理、物性物理。。。

マクロな量子現象
超伝導

超流動

物性物理
物質の諸性質；量子力学に基づき解明、予言素粒子などの他分野と密接に関連

Kyoto University

超伝導のふしぎ～マクロな量子現象～
創発： 量子論をこえて
0. 超伝導とは
1. 量子論2. フェルミ粒子とボース粒子
何ともふしぎな粒子たち
3. 超伝導の理解にチャレンジ
4. レーザー冷却原子：
新たな研究舞台

超伝導～ 量子現象のスーパースター ～マクロ量子現象の典型例

素粒子論に使えるかもKyoto University

超伝導の発見1911年、オランダのカマリン・オネス(ノーベル物理学賞)

水銀の抵抗ゼロ抵抗

永久電流の確認

水銀の電気抵抗の温度変化

Kyoto University

永久に電流は流れ続ける !!!
超伝導とは ?
• 電流の持続時間- 10000000000000…000 年 (ゼロが100以上)
超伝導体

リング

Kyoto University

超伝導現象２: 完全反磁性

完全反磁性＝マイスナー効果→ 超伝導体が空中に浮遊人が乗っても大丈夫！
リニアモーターカー

超伝導：幅広い応用

Kyoto University

超伝導磁石の応用

磁気浮上列車• 原理• 列車• 自動車も?

リニア新幹線
ＪＲ東海
H.P.よりKyoto University

東京―大阪を最速６７分
リニア新幹線 ＪＲ東海試算（2045年 開業めざして）

朝日新聞
2009年10月14日
朝刊 1面

超伝導発電機、超伝導磁石エネルギー貯蔵 (SMES)

Kyoto University

Kyoto University

スーパーコンピュータへの応用- 超伝導体なしだと多量の熱、大電力- 超伝導体を使うと熱なし、低電力

Kyoto University

脳磁計
微弱な磁場を測定することにより、脳の活動を調べることができる。

超伝導デバイス（SQUID)Kyoto University～超伝導小史～

1911
超伝導発見

1950
秩序化した波動

1957
BCS理論

Onnes

全員ノーベル賞
Landau1962
ジョセフソン効果
Josephson1986
高温超伝導の発見
Müller and Bednorz
超伝導・超流動の基礎理論(Novel prize, 2003)

量子論～ 現代物理学の基礎 ～粒子と波動Kyoto University

量子論

現代物理学の基礎

素粒子、原子核、物性物理、化学、宇宙論
大きさのスケールすべての階層で量子力学は重要
量子力学誕生前夜（19世紀の終わり）

量子論 誕生・ニュートン力学 ・電磁気学 ・熱力学
日常スケールの現象は、ほぼ説明されたミクロな世界の現象古典力学で説明されない？

量子論

量子論のパイオニア
まずは４人の巨匠にインタビュー

Kyoto University

1. プランクの量子仮説

インタビュー１

光エネルギーの量子化
光のとりうるエネルギーはとびとびである。

空洞輻射のなぞとびとびエネルギーとびとびの値

光のエネルギーは量子化されている！

2. アインシュタインの光量子仮説
光Kyoto University

インタビュー２電子

光電効果（ノーベル賞）
金属

光の粒子性波である光は粒子としての性質も持つ！

つぶつぶKyoto University

3. ボーアの原子構造理論

インタビュー３「プランクの仮説」＋ 「アインシュタインの仮説」‐+

原子が光を放出・吸収する実験を説明

電子は量子化された安定な軌道上に存在する：軌道の量子化

電子は波である！

つぶつぶ
じゃないの？

Kyoto University4. ド・ブロイの物質波

インタビュー４

光は粒子性と波動性を持つ： 二重性

電子（物質）も粒子性 と 波動性を持つなるほど！
つぶつぶで波なんだ！

Kyoto University

量子力学の確立

Heisenberg

超伝導の本質but …??
Schroedinger
Dirac

粒子性と波動性
美しく精緻な理論
多くの実験を説明

マクロな量子現象？ 創発！

何ともふしぎな粒子たち
フェルミ粒子 ＆ ボーズ粒子
たくさんの粒子が集まると？？

創発！

Kyoto University

量子力学
粒子性と波動性
量子化：とびとび
水素原子‐

光+光

電子は波であるエネルギーとびとび

水素原子のエネルギー準位

これは１個の粒子（電子）の性質
ギモン：多くの粒子が集まると？？？

Kyoto University

量子論に現れる粒子

フェルミ粒子 ＆ ボーズ粒子

フェルミ統計性
ボーズ統計性◇ フェルミ粒子 避けあう
◇ ボーズ粒子

引きあう

フェルミ粒子電子、陽子、中性子、3He など
ボーズ粒子
フォトン、4He、電子のペア など

Kyoto University

ボーズとフェルミの合成則
F+FB

B+FF

B+BB

フェルミ粒子： 奇数（odd) とげとげ
ボーズ粒子： 偶数(even) まるっこい水素

ヘリウム 4He
ボーズ‐+

ヘリウム 3He
フェルミ

ボーズ‐++‐‐++‐

Kyoto University◇ ボーズ粒子

丸っこい

引き合う
１準位にいくらでも詰まる◇ フェルミ粒子

とげとげ

避けあう
１つの準位に１個までE
フェルミ準位

ボーズ粒子

フェルミ粒子

本質的な違い！

ふしぎ粒子 その１

ボーズ粒子
互いにひきあうと。。。

ボーズアインシュタイン凝縮
超流動！

Kyoto University

１．ボーズ粒子とボーズ・アインシュタイン凝縮
高温

低温

マクロな波動

超流動
マクロな量子現象

ヘリウム 4He
２Kで粘性ない流体

Kyoto University

ボースアインシュタイン凝縮
高温

低温

秩序状態
ボース粒子；
量子力学的波動

波動が足なみをそろえる

ばらばらに運動

マクロな波動
マクロ量子現象

相転移

超流動

Kyoto University

低温の液体－超流動 4 He１） 超流動性

Ｔ ＜ 2.17 Ｋ
粘性がなくなる

量子統計の威力
VP1P2

非常に細い配管

ΔP = P1 − P2 = 0（圧力差なしに流れる）

Ｔ ＞ 2.17 Ｋ
まったく流れない
非常に細い粉を詰める（スーパー・リーク）

Ｔ ＜ 2.17 Ｋ
一気に流れ出るKyoto University２） フィルム流の観測
サイフォンの原理

原子100個分ぐらいの厚さの薄い膜

薄い膜を通じて He がビーカ－の外に流れ出てしまう。
（粘性がない）ふしぎ粒子 その２

フェルミ粒子
とげとげで反発。。。
ボーズアインシュタイン凝縮
おきますか？

なんと超伝導！

Kyoto University

２．フェルミ粒子と凍結状態
フェルミ準位

高温

ギモン？

多様な物性

低温

ビッシリと詰まった状態
ほとんどの状態が凍結
超伝導 半導体、磁性、誘電体

etc

フェルミ粒子としての電子 ？！

Kyoto University

電子

男と女？

◇素電荷 e◇スピン
極微の磁石、下向き上向き

磁石： 結晶中で揃う

フェルミ統計性
同じスピン：反発異なるスピン： 拘束なし
フェルミ統計性& 多電子の集団運動
多様な物性Kyoto University

固体中の電子たち
E

フェルミガス（自由な電子たち）

この境付近の電子が電流に寄与

フェルミの海

gap

半導体

金属

量子化（とびとび）
フェルミ統計性

多様な物性？
超伝導
磁性
その他

金属と半導体の区別ギチギチの電子で説明できるか？

電子間に働く力相互作用

Kyoto University

超伝導

電気抵抗なし引力相互作用
電子ペア

ボーズ粒子

ボーズアインシュタイン凝縮
量子論とフェルミ統計性だけじゃダメ相互作用の重要性！
多様な物性

超伝導

創発

超伝導研究の醍醐味◇ 新しい物質の発見◇ 新しいメカニズムの予言・検証◇ 従来にないエキゾチックな現象◇ 最先端技術への応用

高温超伝導体 YBa2Cu3O7-δ の発見

Kyoto University１９８６年

銅酸化物
セラミックスが超伝導に！！

１９８７年
ノーベル賞
Bednorz & Mueller

１００Ｋ 超伝導
なぜ高い？
メカニズム？

Kyoto University

超伝導転移温度 (K)

超伝導転移温度の変遷

年

Kyoto University

最近の話題； 鉄化合物の超伝導 2008年2月

LaFeAs(O1-xFx)

Hot !

鉄が超伝導？ メカニズム？

もっと高く？

東工大 細野教授

研究の流れは、鉄化合物へ !!

現在なお、最高のTc ~ 55 K

Kyoto University

ダイヤモンド・セメントも超伝導にダイヤモンド

一部のC原子をB原子で置換すると超伝導に！
Tc ～ 6 K

アルミナセメント

12CaO·7Al2O3の結晶構造
Tc ~ 0.4 K

南部先生にいんたびゅー

Kyoto University

2008年ノーベル物理学
世界の南部
素粒子物理学と核物理学における自発的対称性の破れの発見
1957年 超伝導のＢＣＳ理論
ＢＣＳ理論の不備にいらだち、とりこなる
1960年 対称性の破れ
素粒子物理 の潮流作り上げる素粒子とか物性とか境界ないでしょ。

小林‐益川
はー、そーですよね。。。

Kyoto University

対称性の破れと相転移

素粒子論に使えるかも

高温での対称性が破れ
低温で秩序状態
2008

磁石
高温超伝導

超伝導のＢＣＳ理論

低温 秩序状態
対称性の破れ素粒子物理学と核物理学における自発的対称性の破れの発見
素粒子物理の 潮流作り上げるレーザー冷却原子 Cold atoms～ 量子物理の新たな研究舞台 ～物性物理、レーザー物理、原子物理の紡ぐ新たな世界

やっぱり境界ないでしょ。

Kyoto University

レーザー冷却
量子力学的効果とドップラー効果
原子気体の温度を下げる
6×10-8 K の低温まで到達可能冷却された原子集団
Rb, Na, Li, H, Ybなど
京大

理想的な量子力学系
ボーズ・アインシュタイン凝縮(BEC)Kyoto University

BECの作成法
中性原子:87Rb, 23Na, 7Li, 1H, He*, 41K, 133Cs, 174Yb

レーザー冷却

蒸発冷却
磁気コイル

室温の気体
BEC

300 K
レーザー

2001年
ノーベル賞

100 μK
冷却時間=100 ms

rf-交流磁場

100 nK
冷却時間~10 s

How to observe ?
超流動性？
抵抗をはかることはできないし。。。

Kyoto University

Time-Of-Flight法 （飛行時間法）
測定する物理量トラップ
トラップOFFON
重力トラップ中の原子集団
温度に応じた速度分布で運動している。
最初の速度分布に応じて広がる。

・温度・超流動の粒子数・全粒子数

粒子の密度分布を測定!!
測定光CCDKyoto University

超流動の観測なだらかなガウス分布

ガウス分布＋鋭い分布

超流動の生成を示す！

密度座標

ガウス分布
凝縮していない粒子の分布
凝縮していない粒子数

温度下げる
鋭い分布
超流動の粒子の分布
超流動の粒子数Kyoto University

Rb原子のボーズ・アインシュタイン凝縮 (TOF像)

Colorado Univ. GroupM. H. Anderson et al.,SCIENCE 269, 198 (1995)

Kyoto University
http://www.mpq.mpg.de/~jar/

アトムチップ

BEC

マックスプランク研究所（ドイツ）

コンベアベルトT. W.Hänsch
(Nobel Prize, 2005)

Kyoto University

冷却原子

理想的な New 研究舞台
量子物理

Cold atoms are very hot !

Kyoto University

まとめ物理学

著しい現象：
マクロな量子現象：超伝導・超流動

超伝導理論：
素粒子の質量の起源

最先端物理学

創発性

普遍性

分野の境界を越えて◇豊富な実験

新奇な現象の発見◇理論の進展多様性、普遍性、そして創発性

京大物理キーワード

Thank you
for your attention !