科学者たちは金属3Dプリント部品の超伝導特性を研究している

この投稿は、Little Soft Bear によって 2016-7-21 11:59 に最後に編集されました。

現在の3Dプリント業界では、金属3Dプリント技術は注目の分野と言え、医療、航空宇宙、自動車などの分野で優れた応用があり、市場は急速に成長しています。実際、金属 3D プリントはここでは単なる一般的な用語であり、さまざまな技術がありますが、そのほとんどはコンピューター制御のレーザーまたは電子ビームを使用して金属粉末を溶解または焼結します。これまで、研究者は金属 3D プリント部品の機械的特性については広範囲に研究してきましたが、電気的特性についてはあまり注目されていません。
今週の「応用物理学レターズ」誌の表紙に掲載された論文の中で、メルボルン大学と西オーストラリア大学の研究チームは、アルミニウム・シリコン合金（Al-12Si）を使用してマイクロ波共振空洞を3Dプリントした。科学者らによると、この部品をアルミニウムの臨界温度（1.2ケルビン）以下に冷却すると、超伝導状態が発現したという。
科学者たちは共鳴空洞のサンプルを3Dプリントした。「伝導性は電流が物質をどれだけ容易に流れるかの尺度であり、超伝導性は低温で電気抵抗を失う特定の物質の特性を指す」と西オーストラリア大学量子システム工学研究センター所長のマイケル・トバー教授は説明した。
超伝導空洞は、量子物理学から粒子加速器まで、物理学の多くの分野に応用されています。しかし、超伝導共振空洞の設計はますます複雑になってきており、非標準の形状や共振器アレイが含まれることが多く、従来の処理技術に大きな課題をもたらしています。そこで、西オーストラリア大学の 2 つの研究チーム (1 つは材料と 3D プリントの専門家である Tim Sercombe 教授が率いるチーム、もう 1 つは工学的量子システムと超伝導空洞設計の専門家である Tobar が率いるチーム) が、それぞれの専門知識を組み合わせて、3D プリント部品の超伝導特性を調査するパイロットスタディを開始しました。「超伝導の物理はよく理解されており、アルミニウムが超伝導性を持つことは数十年前から知られています」とトバー氏は言う。「しかし、3D 印刷プロセスで使用されるアルミニウムは非常に不純で、噴霧、レーザー溶融、炉焼きなましなど、いくつかのプロセスを経ます。そのため、私たちは既知の超伝導金属の範囲を研究し、これらの金属が 3D 印刷後もその電気特性を維持できるかどうかを確認したいと考えました。」

たとえば、「選択的レーザー溶融 (SLM)」と呼ばれる金属 3D 印刷技術では、非常に小さな粒子を含む完成材料が生成されることが多く、多くの金属では、超伝導を示す臨界温度が粒子サイズと非常に密接に関係していることがよくあります。「ランタン、モリブデン、ニオブなどの材料は、それぞれ反応が異なります」とトバー氏は言う。「観察した粒子サイズによって、臨界温度が下がったり上がったりします。臨界温度の高い超伝導体は特に興味深いので、この 3D 印刷プロセスは粒子サイズを小さくする上で利点があるかもしれません。さらに、SLM プロセスは、異なる元素比を持つ新しい合金を迅速に測定するのに役立ちます。」

研究チームは、超伝導の測定に加えて、この技術を使って何か有用なものを作れるかどうかを調べたいと考え、マイクロ波共振空洞を 3D プリントすることにしました。「ベクトルネットワークアナライザーと呼ばれる装置を使用して、キャビティ内のマイクロ波周波数で共鳴する電磁モードを励起し、その品質係数 (Q) を測定しました。これは、マイクロ波がキャビティに注入された後、どのくらい長く存続するかを示す指標です。これは、キャビティ壁の表面抵抗に直接関係しています」と、彼は説明しました。

Q 係数を測定することで、研究者は間接的に抵抗を決定することができました。結果は、この物質が 1.2 ケルビンで超伝導状態にあることを示した。その結果は「合金中に非超伝導シリコンが大量に含まれているため驚くべきもの」だった。トバー氏は、これによりまったく新しい空洞構造を印刷する新たな可能性が開かれる可能性があると指摘している。

さらに、研究チームの成果は実用上の価値も大きく、この結果に基づいてさまざまなコンポーネントを作成できるようになりました。「超伝導体は磁場をはじくので、実験用の磁気シールドを印刷することができます」とトバー氏は言う。「また、約 100 万の Q 値を必要とする空洞実験であれば、この技術の恩恵を受けることができます。」

トバー氏によると、よりシャープな線幅と高い Q 値を必要とする技術の場合、高純度ニオブ粉末が理想的な出発材料となる可能性があるという。「3Dプリントされた超伝導体に関する科学文献はほとんどないため、より適切な材料を特定し、部品の表面仕上げと性能を向上させる方法、例えば熱処理や化学研磨/エッチングなどでそれが可能かどうかなど、さらなる研究を行う必要がある」と彼は付け加えた。

次のステップは？科学者たちは、高純度のニオブ粉末を使用して超伝導空洞を3Dプリントすることに挑戦したいと考えています。「ニオブは優れた材料であり、超伝導空洞に広く使用されています」とトバー氏は語った。「SLM プロセスで非常に純粋なニオブ金属粉末を使用することで、良い結果が得られると期待しています。出典: 3D プリンティングネットワーク

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