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NMR

理研が高温超伝導接合を実装したNMRで2年間の永久電流運転に世界で初めて成功

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理化学研究所は9月24日、高温超伝導線材の超伝導接合を実装したNMR(Nuclear Magnetic Resonance。核磁気共鳴)装置で、約2年間の永久電流運転に成功したことを発表した。これにより、高温超伝導接合が長期にわたり安定的な永久電流を維持できることが世界で初めて実証された。

この研究は、理化学研究所生命機能科学研究センター機能性超高磁場マグネット技術研究ユニットの柳澤吉紀氏をはじめとする、構造NMR技術研究ユニット山崎俊夫氏、ジャパンスーパーコンダクタテクノロジー斉藤一功氏、JEOL RESONANCE蜂谷健一氏、科学技術振興機構前田秀明氏らからなる共同研究グループによるもの。同グループは、2018年にこのNMR装置を世界で初めて開発している。

永久電流とは、超伝導状態のコイルが、外部から電流供給なしに電流を流し続ける現象のこと。その電流が発生する強力な磁場を利用したのがNMR装置というものだ。磁場中に置かれた原子核の核スピンの共鳴現象により、物質の分子構造の解析などを行う装置で、医療用のMRIはこの原理を応用している。

永久電流を実現するためには、コイルに電流を供給した後、スイッチで回路を閉じる必要があるが、このとき使われるスイッチや超伝導線材の接合部分も超伝導でなければならない。同研究グループは、その超伝導接合に成功したというわけだ。理論上はコイルを冷やし続けていさえすれば10万年間電流が流れ続ける計算になっていたが、実際に、「脆い銅酸化物が原子レベルでつながる接合部が長期間にわたり永久電流を保持できるか」は不明だった。

だが今回、400MHzの磁場を約2年間保つことに成功し、長期にわたる安定的な永久電流を維持できることがわかった。実験開始当初、磁場の変化率は1時間あたり10億分の1レベルだったものが、時間が進むにつれ小さくなり、2年目には1時間あたり300億分の1レベルにまでなった。そこから、理論的には300万年間電流が流れ続ける計算となった。これにより、高温超伝導接合を実装したNMR装置の実用化に大きく近づいた。

現在の超高磁場NMR装置は、外部から電流を供給し続ける必要があるが、この高温超伝導接合を実装した装置の場合は、冷却剤であるヘリウムの蒸発量が1桁以上少なくなるという。また今回の研究により、高価なヘリウムを使用しない小型で汎用性の高いNMR装置の開発も可能となり、医薬品検査用の定量NMRや、アルツハイマー病発症に関わるアミロイドβペプチドの構造がごく少ない試料わかる次世代超高磁場NMRが実現に期待が持てるとのことだ。