[論文レビュー] Pair production and ionizing radiation from superconductors

J. E. Hirsch|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2005

Superconducting Materials and Applications参考文献 39被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、穴超伝導理論において、臨界サイズを超える超伝導体が、巨視的な電荷分離によって実際の電子・陽電子対生成を経験し、0.511 MeVまでのイオン化放射線を放出すると提案している。この現象は相対論的電子力学と巨視的量子もつれに起因し、高周波放射を予測し、理論が正しければ健康リスクを伴う可能性がある。

ABSTRACT

We show that an alternative theory of superconductivity recently proposed (theory of hole superconductivity) leads to the surprising consequence that real electron-positron pair production will occur for superconductors larger than a critical size. High frequency radiation with frequencies up to $0.511MeV/\hbar$ is predicted to be emitted from superconductors out of equilibrium. Attention to the possibility of harmful consequences is called for.

研究の動機と目的

• 穴超伝導理論の妥当性を検証すること。これは、従来のBCS-London理論とは共有されない独自で検証可能な予測を同定することを目的とする。
• 超伝導体における巨視的電荷分離が、臨界原子に類似した電子・陽電子対生成を引き起こす可能性を調査すること。
• 超伝導状態における巨視的量子もつれと相対論的効果が高エネルギー現象に与える影響を探索すること。
• 穴超伝導理論が正しければ、超伝導体からのイオン化放射線がもたらす潜在的健康リスクを評価すること。

提案手法

• 穴超伝導理論を用いて、超伝導体を表面に過剰な負電荷、内部に正電荷を持つ巨視的系としてモデル化し、巨大原子に類似させた。
• 相対論的量子力学を適用し、正電荷コア内の電子の静電的ポテンシャルエネルギーが2m_e c^2に達する臨界半径R_cを導出。
• モデルはLondonの浸透深さλ_Lと縮退エネルギーεを用い、臨界半径R_c = λ_L (6m_e c^2 / 5ε)^1/2を計算した。
• 超伝導基底状態におけるスピン電流の解析を行い、その崩壊が0.511 MeV/ħまでの高周波放射を発生させると予測した。
• ディラックの穴理論や臨界を超える原子（Z > 137 または Z > 172）における自発的対生成と類似性を示した。
• BCS波動関数を粒子数状態の重ね合わせを含むように拡張し、穴超伝導理論の枠組み下では物理的に必要不可欠であると主張した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 臨界サイズを超える超伝導体が、巨視的電荷分離によって実際の電子・陽電子対生成を示す可能性はあるか？
• RQ2 穴超伝導理論は、0.511 MeV/ħまでの周波数のイオン化放射線の発生を予測するか？
• RQ3 超伝導体球において、対生成がエネルギー的に有利になる臨界半径R_cは何か？
• RQ4 巨視的量子もつれが、μeVスケールの対結合エネルギーからMeVスケールの現象を生み出す仕組みは何か？
• RQ5 穴超伝導理論モデル下で、BCS波動関数が異なる粒子数状態の重ね合わせを含むことの意味は何か？

主な発見

• 臨界半径R_c = λ_L (6m_e c^2 / 5ε)^1/2が導出され、これより大きな超伝導体では、電子・陽電子対生成がエネルギー的に有利になる。
• 理論は、非平衡状態の超伝導体から、スピン電流の崩壊と対の消失に起因し、0.511 MeV/ħまでの高周波放射が発生すると予測している。
• 対生成と消失に起因するイオン化放射線は、穴超伝導理論が正しければ健康リスクをもたらす可能性がある。
• モデルは、穴超伝導理論の下で物理的に整合性を持つためには、BCS波動関数が異なる粒子数状態の重ね合わせを含む必要があると示唆している。
• 論文は、巨視的量子もつれのおかげで、超伝導状態が微小な局所的エネルギーを集中させ、大規模な相対論的効果や高エネルギー現象を生み出すことができると主張している。
• 理論は、超伝導体が巨視的スケールで電荷非対称性を示し、通常は極端な天体物理学的条件下でのみ観察される現象を示す「巨大原子」のように振る舞う可能性を示唆している。