マイスナー効果とは？磁場排除の定義・仕組みと浮上の実例

マイスナー効果とは？超伝導で磁場が排除され磁石が浮く仕組みを図解と実例でわかりやすく解説。初心者でも理解できる入門ガイド。

マイスナー効果とは、超伝導体が超伝導状態になると、磁場が超伝導体の外に押し出され、内部の磁場がほぼゼロになる現象です。大きな磁石の磁場の中に超伝導体を置き、超伝導体の表面近傍を調べると、外側に比べて磁場が著しく小さくなり、奥へ行くほど磁場は急速に減衰してゼロに近づきます。これが、単なる完全導体（抵抗がゼロの物体）とは異なり、超伝導体が持つ特有の性質の一つです。

仕組み — なぜ磁場が排除されるのか

マイスナー効果は、超伝導体内部に自由に磁場が入らない「磁場排除（フラックス排除）」として説明できます。超伝導状態では電子がクーパー対を形成して凝縮し、超伝導電流が表面近傍に流れることで内部磁場を打ち消します。これらの表面電流（スクリー二ング電流）は外向きの磁場を遮蔽し、内部の磁束密度をほぼゼロにします。

数学的にはロンドンの方程式によって記述され、磁場は表面から指数関数的に減衰します。その減衰の尺度を示すのが浸透長（ロンドン浸透深さ、λ）で、材料や温度によって数十ナノメートルから数百ナノメートル程度に相当します。

重要な点

• 臨界温度（Tc）：超伝導状態が生じる温度。Tc以下でマイスナー効果が現れる。
• 臨界磁場（Hc, Hc1, Hc2）：磁場が強くなると超伝導が破壊される閾値。タイプによって挙動が異なる（次節参照）。
• ロンドン浸透長（λ）：磁場が内部に侵入する長さの目安。ゼロにはならないが非常に浅い領域での減衰にとどまる。

タイプIとタイプIIの違い

超伝導体は一般にタイプIとタイプIIに分類され、マイスナー効果の現れ方が異なります。

• タイプI：臨界磁場 Hc 以下では完全に磁場を排除（完全マイスナー状態）。Hc を越すと超伝導が一気に消失します。純金属の多くが該当します。
• タイプII：低い磁場域（H < Hc1）ではマイスナー状態、Hc1 と Hc2 の間では磁束が量子化された渦（ボソンのような磁束管）として内部に侵入する「混合状態（ヴィンテックス状態）」になります。これらの渦は材料の不純物や欠陥で固定（ピンニング）されやすく、これが磁石の安定した浮上（量子ロッキング）を可能にします。高温超伝導体は多くがタイプIIです。

浮上の実例・実験

よく知られたデモンストレーションは、液体窒素で冷やした高温超伝導体（例：YBCO）上に小さな永久磁石を置いて磁石が浮く様子です。浮上の仕組みは次のように説明できます：

• 超伝導体を磁場の外で冷却してから磁石を近づけると、超伝導体表面に流れる誘導電流が磁場を打ち消して反発力が働き、磁石が浮きます（磁場排除による反発）。
• 超伝導体を磁石がある状態で冷却すると、磁束がテクニカルに内部に閉じ込められ、渦状の磁束がピンニングされます。このとき磁石は空中で固定されたまま動かすと一緒に移動し、いわゆる量子ロッキング（量子ピンニング）が観察されます。

これらの現象は教育用デモや展示で人気があり、超伝導の不思議さを直感的に示します。

応用例

• 磁気浮上（リニアモーターカー）：超伝導磁石を用いることで摩擦の少ない浮上走行が可能（実用化にはさまざまな技術課題あり）。
• 磁気シールド：超伝導体を用いた強力な磁場遮蔽は、精密計測機器（SQUIDなど）や実験装置で利用される。
• フリクションレスベアリング・回転機器：超伝導浮上を利用した低摩擦の支持技術。
• 超伝導磁石とエネルギー貯蔵（SMES）：大電流を損失なく保持できる性質を利用。

歴史的経緯

マイスナー効果は1933年、ウォルター・マイスナー（Walter Meissner）とロバート・オクゼンフェルド（Robert Ochsenfeld）によって実験的に発見されました。彼らは冷却した超伝導体周囲の磁場分布を測定し、内部から磁場が排除されることを示しました。この発見は、超伝導を単なる「抵抗ゼロ」の現象以上のものとして理解させ、理論的発展（ロンドン方程式、BCS理論など）を促しました。

実験上の注意点

• マイスナー効果を観察するには超伝導体を臨界温度以下に冷却する必要がある。
• 強い外部磁場では超伝導が破壊されるため、磁場の強さと温度条件に注意する。
• タイプII超伝導体では磁束のピンニングにより磁場が一部内部に残る場合があり、冷却条件（ゼロ磁場冷却か場中冷却か）で振る舞いが変わる。

まとめると、マイスナー効果は超伝導体が磁場を排除して内部を非磁性にする現象であり、その理解は超伝導物質の分類、実験的デモ、そして工学的応用に直結します。磁場の排除と磁束ピンニングという二つの側面を通して、浮上現象や量子ロッキングなどユニークな現象が実現します。

質問と回答

Q: マイスナー効果とは何ですか?

Q: 超伝導体を大きな磁石の中に入れると磁場はどうなるのですか?

Q: 磁場に関して、超伝導体は完全な伝導体とどう違うのですか?

Q:マイスナー効果を発見したのは誰ですか?

Q: マイスナー効果によって、液体窒素で冷却した超伝導板の上に磁石を浮かせることができるのはなぜですか?

Q: なぜ超伝導体の外側の磁場は強くなるのですか?

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