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| 識別子 | |
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3Dモデル（JSmol）
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| ケムスパイダー |
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| ECHA 情報カード | 100.031.352 |
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パブケム CID
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CompTox ダッシュボード ( EPA )
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| プロパティ | |
| マグネシウムB2 | |
| モル質量 | 45.93グラム/モル |
| 密度 | 2.57グラム/ cm3 |
| 融点 | 830 °C (1,530 °F; 1,100 K) (分解) |
| 構造 | |
| 六角形、hP3 | |
| P6/mmm、No.191 | |
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。
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二ホウ化マグネシウムは、マグネシウムとホウ素からなる無機化合物で、化学式は MgB 2です。暗灰色で水に溶けない固体です。この化合物は39 K (-234 °C) で超伝導になるため注目を集めています。組成の点では、MgB 2 は主に遷移金属からなるほとんどの低温超伝導体とは大きく異なります。その超伝導メカニズムは主にBCS 理論によって説明されます。
超伝導
二ホウ化マグネシウムの超伝導特性は 2001 年に発見されました。[1]その臨界温度( T c ) は 39 K (-234 °C、-389 °F) で、従来の超伝導体の中で最も高いものです。従来の (フォノン媒介) 超伝導体の中では珍しいものです。その電子構造は、フェルミ準位に大きく異なる動作をする2 種類の電子が存在し、そのうちの 1 つ (シグマ結合) はもう 1 つ (パイ結合)よりもはるかに強い超伝導性を示します。これは、すべての電子が同じように動作すると仮定するフォノン媒介超伝導の通常の理論とは矛盾しています。MgB 2の特性の理論的理解は、2 つのエネルギーギャップをモデル化することでほぼ達成されました。2001 年には、銅酸化物超伝導体というよりは金属のように動作すると考えられていました。[2]
セミマイスナー状態
BCS理論と電子のパイバンドとシグマバンドの既知のエネルギーギャップ（それぞれ2.2 meVと7.1 meV）を使用すると、電子のパイバンドとシグマバンドは2つの異なるコヒーレンス長（それぞれ51 nmと13 nm）を持つことがわかりました。[3]対応するロンドン浸透深度は33.6 nmと47.8 nmです。これは、ギンツブルグ-ランダウパラメータがそれぞれ0.66±0.02と3.68であることを意味します。最初の値は1/ √2より小さく、2番目の値はそれより大きいため、最初の値は限界的なタイプI超伝導を示し、2番目の値はタイプII超伝導を示しているようです 。
2つの異なる電子バンドが2つの準粒子を生成し、そのうちの1つがタイプI超伝導を示すコヒーレンス長を持ち、もう1つがタイプIIを示す場合、特定のケースでは、渦は長距離で引き合い、短距離で反発することが予測されている。[4]特に、渦間の位置エネルギーは臨界距離で最小化される。その結果、渦が臨界距離だけ離れている半マイスナー状態と呼ばれる新しい相が推測される。印加磁束が小さすぎて、超伝導体全体を臨界距離で分離された渦の格子で満たすことができない場合は、これらのドメインを分離するタイプI超伝導、つまりマイスナー状態の大きな領域が存在する。
この推測は最近、4.2 ケルビンの MgB 2実験で実験的に確認されました。著者らは、渦の密度がはるかに高い状態が実際に存在することを発見しました。タイプ II 超伝導体におけるアブリコソフ渦の間隔の一般的な変動は 1% 程度ですが、著者らは、渦が臨界距離で分離される可能性のある領域に集まるという考えに沿って、50% 程度の変動を発見しました。タイプ 1.5 超伝導という用語は、この状態を表すために造られました。
合成
二ホウ化マグネシウムは1953年に合成され、その構造が確認されました。[5]最も単純な合成は、ホウ素とマグネシウムの粉末の高温反応です。 [2]形成は650℃で始まりますが、マグネシウム金属は652℃で融解するため、反応にはホウ素の粒界を越えたマグネシウム蒸気の拡散が含まれる可能性があります。通常の反応温度では、焼結は最小限ですが、粒子間のジョセフソン量子トンネル効果には粒子の再結晶化で十分です。[要出典]
超伝導二ホウ化マグネシウム線は、粉末管内（PIT）ex situおよびin situプロセスによって製造できます。[6] in situバリアントでは、ホウ素とマグネシウムの混合物を従来の線引きによって直径を小さくします。次に、線を反応温度まで加熱してMgB 2を形成します。ex situバリアントでは、チューブにMgB 2粉末を充填し、直径を小さくしてから800〜1000°Cで焼結します。どちらの場合も、その後約950°Cで熱間等方圧プレスを行うことで特性がさらに向上します。[引用が必要]
2003 年に公開された代替技術では、マグネシウムをホウ素粉末の粒状プリフォーム内に反応性液体浸透させるもので、Mg-RLI 技術と呼ばれていました。[7]この方法により、高密度 (MgB 2の理論密度の 90% 以上) バルク材料と特殊な中空繊維の両方を製造することができました。この方法は、バルクYBCO超伝導体の製造に使用される浸透および成長処理法などの同様の溶融成長ベースの方法と同等であり、この方法では、非超伝導の Y 2 BaCuO 5 を粒状プリフォームとして使用し、その内部に YBCO ベースの液相を浸透させて超伝導 YBCO バルクを作成します。この方法は、MgB 2にコピーおよび適応され、反応性 Mg 液体浸透としてブランド名が変更されました。MgB 2を得るためのホウ素プリフォームへの反応性 Mg 液体浸透のプロセスは、イタリアの会社Edison SpAによって特許出願されています[要出典]
ハイブリッド物理化学蒸着法（HPCVD）は、二ホウ化マグネシウム（MgB 2）薄膜を堆積するための最も効果的な技術です。 [8]他の技術で堆積したMgB 2膜の表面は通常、粗く非化学量論的です。対照的に、HPCVDシステムでは、超伝導回路の基本要素である再現性のある均一なジョセフソン接合を作成するために必要な、滑らかな表面を持つ高品質の純粋なMgB 2膜をその場で成長させることができます。
電磁気特性
特性は組成と製造プロセスに大きく依存します。多くの特性は層状構造のため異方性があります。「汚れた」サンプル、例えば結晶境界に酸化物があるサンプルは「きれいな」サンプルとは異なります。[9]
- 最高の超伝導転移温度T cは 39 K です。
- MgB 2はタイプ II 超伝導体であり、増加する磁場が徐々に浸透します。
- 最大臨界電流（Jc）は、20Tで105A /m2、18Tで106A / m2、15Tで107A / m2、10Tで108A / m2、5Tで109A / m2である。[ 9]
- 2008年現在：上部臨界磁場（H c2 ）：（ ab面と平行）約14 T、（ab面と垂直）約3 T、薄膜では最大74 T、繊維では最大55 T。[9]
ドーピングによる改善
MgB2に炭素をドープする様々な方法（例えば10％リンゴ酸の使用）により、上部臨界磁場と最大電流密度を向上させることができる[10] [11] （ポリ酢酸ビニル でも[12]）。
炭素を5%ドーピングすると、H c2 は16 Tから36 Tに上昇しますが、T c は39 Kから34 Kにしか下がりません。最大臨界電流（J c）は減少しますが、TiB 2をドーピングすると減少を抑えることができます。[13]（MgB 2にTiをドーピングすることは特許取得済みです。[14]）
磁場中での最大臨界電流（Jc ）はZrB2をドープすることで大幅に増加します（4.2Kで約2倍） 。[15]
少量のドーピングでも、両方のバンドがタイプ II 領域に入るため、セミマイスナー状態は期待できません。
熱伝導率
MgB 2 はマルチバンド超伝導体であり、各フェルミ面は異なる超伝導エネルギーギャップを持っています。MgB 2では、ホウ素のシグマ結合が強く、大きな s 波超伝導ギャップを誘起し、パイ結合は弱く、小さな s 波ギャップを誘起します。[16] ギャップの大きい渦の準粒子状態は、渦の中心に強く閉じ込められています。一方、ギャップの小さい準粒子状態は、渦の中心に緩く結合しています。そのため、それらは非局在化し、隣接する渦の間で簡単に重なり合うことができます。[17]このような非局在化は、熱伝導率に大きく寄与し、H c1 を超えると熱伝導率が急激に増加します。[16]
考えられる用途
超伝導体
超伝導特性と低コストにより、二ホウ化マグネシウムはさまざまな用途で魅力的です。[18] [19]これらの用途では、MgB 2粉末を銀金属（または316ステンレス鋼）と一緒に圧縮して、パウダーインチューブプロセスでワイヤやテープ状にします。
2006年に18kmのMgB2線を使用して0.5テスラのオープンMRI超伝導磁石システムが構築されました。このMRI は閉ループクライオクーラーを使用しており、冷却のために外部から供給される極低温液体を必要としませんでした。[20] [21]
「...次世代のMRI機器は、NbTiコイルの代わりにMgB 2コイルで作られ、冷却用の液体ヘリウムなしで20〜25 Kの範囲で動作する必要があります。...磁石の用途に加えて、MgB 2導体は、約25 Kの温度、1 Tの磁場での超伝導変圧器、回転子、送電ケーブルでの潜在的な用途があります。」[19]
CERNのMgB2ケーブル製造プロジェクトでは、大型ハドロン衝突型加速器の高輝度化など、極めて高い電流分布用途向けに20,000アンペアを流すことができる超伝導試験ケーブルが開発されました。[22]
IGNITORトカマクの設計 は、ポロイダルコイルにMgB 2をベースにしていた。 [23]
超伝導無線周波数空洞に薄いコーティングを使用することで、エネルギー損失を最小限に抑え、液体ヘリウム冷却ニオブ空洞の非効率性を軽減できます。
MgB 2 は構成元素のコストが低いため、超伝導低磁場から中磁場の磁石、電気モーターや発電機、故障電流制限装置、電流リードへの使用が期待されています。[要出典]
推進剤、爆薬、花火
酸素の拡散を妨げるガラス状酸化物層によって燃焼が不完全となる元素状ホウ素とは異なり、二ホウ化マグネシウムは酸素中または酸化剤との混合物中で点火すると完全に燃焼する。[24]そのため、マグネシウムホウ化物はラムジェットの燃料として提案されている。[25]さらに、同じ理由から、爆風増強爆薬[26]や推進剤としての MgB 2の使用が提案されている。マグネシウムホウ化物/テフロン/バイトンを含むデコイフレアは、従来のマグネシウム/テフロン/バイトン(MTV) ペイロードと比較して、スペクトル効率 E λ (J g −1 sr −1 )が 30～60% 増加している。[27] マグネシウムホウ化物のハイブリッドロケット推進への応用も研究されており、パラフィンワックス燃料粒子に化合物を混合して機械的特性と燃焼特性を改善している。[28]
参考文献
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、二ホウ化マグネシウムに関連するメディアがあります。
- MgB2 に関する必須科学指標 (1992 年 - 2002 年 5 月)
- 古い資料が新たにデビュー 2021-02-08 にWayback Machineでアーカイブ、米国エネルギー省研究ニュース、2001 年