超伝導には「温度」だけでは足りない
強力な磁場を生む超伝導磁石を考えるとき、まず問われるのは「何度まで冷やせば電気抵抗がなくなるか」だろう。だが、装置を作る技術者が知りたいことは、それだけではない。磁場を強めても超伝導が保たれるのか。細い線材にどの程度の電流を流せるのか。その限界を理解するための基礎情報には、温度とは別の二つの「長さ」がある。
横浜国立大学、東京都立大学、東京大学、理化学研究所などの研究グループは2026年11月6日、超伝導を特徴づける「コヒーレンス長」と「磁場侵入長」を、実験値に合わせた経験的なパラメータを用いず、原子の種類や結晶構造に基づく計算から求める手法を発表した。原著論文は11月3日（米国東部時間）付の『Physical Review Letters』に掲載され、編集部が選ぶ注目論文にも選ばれた。
研究が生んだのは、新しい超伝導物質そのものではない。既知の物質が示す性質を理論から見通し、将来の候補材料の探索につなぐための「計算の道具」である。冷却不要の超伝導を実現したという話でもない。成果の意味は、地味に見える二つの長さを、温度と同じ理論的な土台に載せた点にある。
電流を止めず、磁場をはじく――超伝導の二つの顔
オランダの物理学者カメルリング・オネスが1911年、極低温の水銀で電気抵抗の消失を発見して以来、超伝導は低温物理学の中心課題となった。1933年にはマイスナーとオクセンフェルトが、超伝導体が外部磁場を排除する現象を明らかにした。つまり超伝導とは、抵抗がゼロになることだけを指すのではない。磁場に対する特異な応答も、その本質をなす。
外部磁場は、超伝導体の表面で突然、完全なゼロになるわけではない。内部へわずかに入り込み、急速に弱くなる。その特徴的な深さが「磁場侵入長」（ロンドン侵入長）だ。一方、「コヒーレンス長」は、局所的に乱れた超伝導の秩序が、どの程度の距離で回復するかを表す。両者は単なる図の飾りではなく、超伝導の安定性と磁場に対する応答を定める物理量である。
これらの比は、磁場を排除する第一種超伝導体と、磁束が量子化された渦として侵入し得る第二種超伝導体を見分ける重要な手掛かりにもなる。実用磁石では第二種材料の振る舞いが特に重要だが、計算上の分類と実際の線材性能を同一視することはできない。
70年かけて整った理論に、残っていた空白
1950年、ギンツブルグとランダウは超伝導の秩序を巨視的な量として表す理論を提案した。1957年にはバーディーン、クーパー、シュリーファーのBCS理論が、電子がクーパー対を作る微視的な仕組みを説明した。巨視的な超伝導秩序と電子の世界をつなぐこの流れは、その後の材料科学を支えてきた。
物質を量子力学の基本法則から計算する「密度汎関数理論」は電子状態の予測に広く用いられる。これを超伝導に拡張した「超伝導密度汎関数理論」では、転移温度の計算が進歩した。しかし従来、コヒーレンス長と磁場侵入長については実験値を参照したり、別の近似や経験的入力に頼ったりする場面が残った。
ここで難しいのは長さの桁の違いだ。原子が並ぶ結晶の周期に比べ、超伝導の特徴的な長さは100倍から1000倍になることがある。原子一つひとつの世界を記述する計算から、そのずっと長い空間変化を高精度に取り出すのは容易ではなかった。
クーパー対に、ほんの少し「波」を作る
河村光晶（かわむら・みつあき）准教授（横浜国立大学）、野本拓也准教授（東京都立大学）、ニクラス・ヴィット博士、有田亮太郎教授（東京大学、理研）らは、超伝導の電子対にごく小さな運動量を持たせ、空間的に緩やかな変調を与える方法に着目した。
通常の一様な超伝導状態から少しだけずらしたとき、電子対の結び付きに対応する「超伝導ギャップ」と、流れる「超伝導電流」がどう変わるかを追う。温度と運動量を変数にして計算することで、秩序が保たれる距離と磁場の侵入深さを求める。研究グループは、逆格子ベクトルの0.1％にも満たない微小な運動量を安定して扱う計算手法を開発し、東京大学情報基盤センターのスーパーコンピューターも活用した。
論文でいう「第一原理」とは、結果を実験値に合わせ込むパラメータを使わないという意味だ。計算そのものが近似や数値的な処理を含まないという意味ではない。入力には原子組成や結晶構造などの情報が必要で、理論の適用範囲にも条件がある。
ニオブで34ナノメートル――数字が示す成果
発表資料で示されたニオブの計算値は、超伝導転移温度が8.09ケルビン（実験値9.50ケルビン）、コヒーレンス長が34ナノメートル（実験値38～40ナノメートル）、磁場侵入長が34～40ナノメートル（実験値27～39ナノメートル）だった。完全な一致ではないが、異なる性質を一つの理論から予測し、既存の測定と比較できた意義は大きい。
対象にはアルミニウム、インジウム、スズ、タンタル、鉛、ニオブなどの単体超伝導体に加え、バナジウムとケイ素の化合物V₃Si、高圧下で超伝導となる硫化水素H₃Sが含まれる。研究グループは、検討した材料について第一種・第二種の分類も実験と整合したと報告した。
特にH₃Sでは、約100万気圧級の高圧という厳しい条件の下で、転移温度181ケルビン（実験値184ケルビン）、コヒーレンス長3.0ナノメートル、磁場侵入長19～22ナノメートルを得た。高圧実験の難しさを考えると、計算による情報の価値は小さくない。ただし、この物質が常温・常圧で使えるという意味ではない。
「第一種か第二種か」だけでなく、材料の潜在力を測る
磁場侵入長とコヒーレンス長を同時に求める利点は、理論の整合性だけではない。磁場中での安定性を考える手掛かりになり、電子対が壊れずに流せる理想的な上限電流――「対破壊電流」――も見積もることができる。
しかし、実用線材に流せる臨界電流は、結晶の欠陥、粒界、加工工程、磁束の固定などに大きく影響される。材料の基礎的な上限を計算できたからといって、工場で作るケーブルの定格電流がそのまま決まるわけではない。
むしろ本手法は、研究初期の材料候補を比較する物差しとして読むべきだ。原子レベルで有望でも、量産性、安定性、冷却コスト、機械的強度といった障害が残る。超伝導の「潜在能力」と「実際の製品性能」を丁寧に分ける必要がある。
植村プロットを計算だけで描く意味
研究は、超伝導転移温度とフェルミ温度を比較する「植村プロット」を、第一原理計算の結果だけから構成する試みも行った。植村プロットは、異なる超伝導物質群を比較するために研究者が使ってきた経験的な整理図である。
今回の計算では、調べた従来型の超伝導体が想定される領域に位置し、転移温度の高い系では、電子対を形成する相互作用の強さと超伝導位相の剛性が、ともに重要になるという解釈が得られた。単に「高い転移温度」を予言する以上の、仕組みを読み解く方向に議論を広げている。
ただし、これで未知の高温超伝導体が自動的に見つかるわけではない。示されたのは、限られた物質群で既知の物理を再現した理論枠組みであり、材料探索への一般化には追加の検証が必要だ。
MRI、リニア、核融合――応用への距離を測る
超伝導技術はすでにMRI装置などの強磁場システムを支えている。日本の超電導リニアも、超伝導磁石を重要な構成要素として使う。核融合の大規模な磁場コイルにも、高い磁場を作る材料の性能評価が不可欠だ。
だからこそ、「実験で測ってみなければ分からない」性質を計算段階で絞り込めることには魅力がある。失敗する候補を初期に見分けられれば、材料開発の試作と測定を効率化する可能性がある。特に高圧物質のように実験条件が厳しい領域で、計算は探索の道しるべとなり得る。
ただし研究は新しいMRI磁石や核融合コイルの設計・製造・実証を報告していない。特定製品のコスト削減、耐磁場性能の向上、商用化時期も示されていない。今後どの材料で計算精度が保たれるかを確かめる段階にある。
残る課題――現実の複雑さをどこまで計算できるか
今回の方法は、既知の物質に対して実験と整合する結果を与えた。一方、超伝導を生む仕組みは材料によって異なり、強い電子相関、複雑な磁性、非従来型の対形成などは、従来型の計算手法だけでは十分に扱えない場合がある。今後の研究には、より広い材料への適用可能性を検証する仕事が残る。
「実験データ不要」という言葉も慎重に理解したい。理論モデルに測定値を合わせ込まないことと、研究全体が実験検証を必要としないことは別である。今回も結果の妥当性は実験値との比較によって評価されている。
発表に研究者の直接取材は含まれていない。論文の詳細な数値については機関発表を参照し、適用範囲や将来の製品化については断定を避けた。査読付き理論論文の意義は、その厳密さと、どこまで予測できるかを次の研究者が検証できる点にある。
二つの「長さ」が開く、材料設計の新しい地図
優れた材料を探すには、最も高い転移温度だけを追えばよいわけではない。磁場がどの程度入り込み、超伝導の秩序がどの距離で回復し、電流がどのような条件で限界に達するか。装置として使うには、複数の性質を一緒に考える必要がある。
日本を中心とする国際共同研究が今回示したのは、転移温度と二つの基本長さを、同じ微視的理論の中で計算する道筋だ。それは実験を置き換える完成品ではなく、実験の前に、何を試す価値があるかを考えるための強力な候補となる。
超伝導の未来は、劇的な発見だけでは進まない。目に見えないナノメートルの尺度を着実に測り、計算し、確かめる研究もまた、次の磁石や材料へつながる一歩になる。
出典・取材方法
原論文と大学・研究機関による日本語一次資料、学会の解説記事を照合。数値は研究チームの公表値を明記し、将来の応用を実績と混同しないよう整理した。