圧力でさぐる物質の世界| 大阪大学加賀山朋子准教授

大阪大学基礎工学部電子物理科学科物性物理科学コース加賀山朋子准教授

圧力でさぐる物質の世界

大阪大学
基礎工学部電子物理科学科物性物理科学コース

加賀山朋子准教授

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30分のミニ講義を聴講しよう！圧力でさぐる物質の世界

身の回りにあってよく知られている物質も、温度や圧力などが違う環境のもとではガラッと様子が変わります。冷やしたり圧縮したりして物質の変化や性質を調べる「物性実験研究」の面白さをご紹介します。氷は冷たくて水に浮かぶ、それって常識……ですか？

先生からのメッセージ

私の所属する大阪大学の極限科学センターでは、高圧、強磁場、低温といった極限状態で物質の測定を行い、その性質を探索しています。私が高校生の頃、新聞にはよく「夢の新素材」という言葉が載っていました。「物性物理学」は、まさにこの夢の新素材や役立つ物質の探索に関わる学問です。物理や化学の専門家が知恵を出し合い、開発や実験、コンピュータシミュレーションなど、各自の「得意技」で研究に挑んでいるのです。幅広い分野ですので、あなたも興味があるなら、ぜひ得意技を身につけて研究に参加してください。

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夢ナビ講義も読んでみよう物理学と化学の知恵で切り拓く超伝導の未来

物質の性質を決めるのは？物質には、硬さや色、熱や電気の伝わりやすさなどの性質がありますが、それらを決める要因は何でしょうか。例えば、鉛筆の芯に含まれるグラファイトは炭素原子でできていて、柔らかくて電気をよく通す性質があります。その構造は、蜂の巣のような六角形が連なってできたシートが層状になっています。ところが、炭素は原子がピラミッド状（正四面体状）に結合すると、硬いダイヤモンドになります。つまり物質は、同じ原子でできていても、構造によって性質が全く異なるのです。極限状態で物質の性質を暴く物質の性質と構造との関係を解明するのが、「物性物理学」という学問です。この分野では、物理学と化学の専門家が知恵を出し合い、役立つ物質の開発や実験による測定、コンピュータシミュレーションなどを行っています。高圧や強磁場、低温といった極限状態を作り出し、物質の性質を探る実験も物性物理学の研究のひとつです。
極限状態では、「超伝導」になる物質も研究されています。超伝導とは、物質を超低温で冷やしたときに電気抵抗がゼロになる現象で、電力を消費せずに強磁場が作れるなどの利点から、MRIなどの医療機器やリニアモーターカー、電力貯蔵装置の開発など、さまざまな分野への応用が進められています。高圧力で原子間の距離を縮める 1911年に超伝導現象が発見されたのは、マイナス267度の環境でした。物質をこのような低温にまで冷やすのは至難の技です。そこで、超伝導になる温度が高い物質の探索が進められました。飛躍的な進歩は1986年、液体窒素（マイナス196度）で冷やせば超伝導現象を示す物質の発見です。ある物質に高圧を加えると、超伝導になる温度が上がることがわかったのです。圧力は、物質の原子同士の距離をぎゅっと押し縮めます。だから原子間の短い物質を合成すれば、超伝導になる温度は上昇するはずだ、という発想が新物質発見のカギとなりました。さらに使いやすい超伝導物質を求めて、大勢の研究者が日々研究を続けています。