高温超伝導体ファミリーに新製品が加わりました!なぜ私たちは高温超伝導体を探し続けるのでしょうか?

高温超伝導の発見は、超伝導は極低温でしか存在しないという従来の認識を打ち破り、材料科学や凝縮系物理学などの最先端分野の発展を促進しました。新しいタイプの高温超伝導体を発見することは、常に科学者が追求してきた目標です。最近、国際学術誌「ネイチャー」は、中国の科学者が新たなタイプの高温超伝導体を発見したという最新の研究結果を掲載した。

復旦大学物理学部の趙軍教授のチームは、高圧光浮遊ゾーン技術を使用して3層の酸化ニッケルを成長させることに成功し、酸化ニッケルにおける圧力誘起バルク超伝導を確認しました。超伝導体積率は86%に達しました。この成果は、高温超伝導のメカニズムを理解するための新たな視点と基盤を提供します。超伝導体とは何ですか?なぜ私たちは新しい高温超伝導材料を探しているのでしょうか?中国科学院物理研究所の羅慧謙研究員をお招きし、高温超伝導材料の応用の魅力を一般の方々にご説明いただきました。

Q: 超伝導体とは何ですか?高温超伝導体とは何ですか?

回答：超伝導体とは、絶対ゼロの抵抗と完全な反磁性の両方を備えたタイプの物質を指します。その本質は、十分に低い温度で物質内部を動き回る電子のマクロ的な量子凝縮状態です。ほとんどの超伝導材料は、超伝導を実現するために、通常 40K 未満の低温環境に依存する必要があります。現在、常圧で 40K を突破できる主な材料は、銅酸化物と鉄系超伝導体の 2 種類だけです。その中で、銅酸化物は常圧で臨界温度が 134 K と最も高く、液体窒素の沸点 (> 77 K) を超えています。

Q: なぜ新しい高温超伝導体を探しているのですか?

回答：高温超伝導体には2つの主要なファミリーがあり、いくつかの材料システムは液体窒素温度範囲で使用できますが、毒性、純粋相材料の調製の難しさ、大きな異方性、弱い粒界接続、機械的性質と機械的性質の悪さなど、応用において多くのボトルネックがあります。現在、大規模に使用されている超伝導材料は、ニオブ-チタン合金やニオブ-スズ合金などの従来の低温超伝導体が主です。高価な液体ヘリウム冷凍に頼らなければならず、適用コストが非常に高くなります。そのため、大規模な応用に適した新しい高温超伝導材料を探索する必要があります。

銅酸化物および鉄系超伝導体の微視的メカニズムはまだ解明されておらず、強く相関した多体相互作用、複数の電子状態の競合する秩序の共存、電荷相互作用と磁気相互作用の同等の重要性など、凝縮物質物理学における最先端の科学的問題に関係しています。高温超伝導のメカニズムを理解することで、新たな物理的理論的枠組みや、まったく新しい研究パラダイムの形成につながることが期待されます。しかし、高温超伝導のメカニズムについてはさまざまな意見があり、その普遍性を検証するために、より多くの新しい高温超伝導材料が緊急に必要とされています。

Q: 高温超伝導を実現するための重要な候補材料の一つとして酸化ニッケルが注目されているのはなぜですか?

回答: 1980 年代初頭、科学者たちは酸化物の超伝導性を研究する際にニッケル酸化物に注目しましたが、超伝導性は発見されませんでした。 2019年、米国のファン氏のチームは、Nd0.8Sr0.2NiO2薄膜サンプルで約15Kでの超伝導を達成した。その後、科学者たちはLa2NiO4、La3Ni2O7、La4Ni3O10などの構造システムにおける超伝導を研究しました。 2023年7月、中山大学物理学部の王孟教授のチームとその協力者は、Nature誌に論文を発表し、La3Ni2O7単結晶サンプルで約80K（圧力14GPa）の高圧誘起超伝導を発見したことを発表しました。しかし、La3Ni2O7の高圧超伝導の超伝導体積分率は高くなく、最初に報告された抵抗測定ではゼロ抵抗に到達できなかったため、その超伝導性は疑問のままです。

中国科学者のたゆまぬ努力により、浙江大学の袁慧秋チームと中国科学院物理研究所の程金光チームがこの物質のゼロ抵抗状態を達成し、超伝導体積分率を40%以上に高め、その超伝導性を確認した。同時に、南京大学の温海湖チーム、上海科技大学の斉延鵬チーム、そして日本の科学者チームは、La4Ni3O10系も高圧超伝導性を持つ可能性があるが、その体積分率は非常に低いことを相次いで発見した。 2024年7月、復旦大学の趙軍氏のチームは、La4Ni3O10系で体積分率86%の超伝導を達成し、この材料の超伝導性を確認した。これまでのところ、ニッケルベースの超伝導体ファミリーには、 LaNiO2、La3Ni2O7、La4Ni3O10の3つのメンバーが含まれており、そのうちLaは他の希土類金属元素に置き換えることができます。

酸化ニッケル材料は、酸化銅と非常によく似た材料構造を持っています。同時に、Ni元素は周期表でCuやFeに近く、超伝導に関与する電子は主にd軌道電子です。一般的に、これらは同様の電子状態を持ち、超伝導メカニズムに一定の共通点があると考えられています。その後の研究で、ニッケル酸化物の超伝導は主に層間d軌道対合によるものであり、銅酸化物の層内d軌道対合とは異なることが示されましたが、これは高温超伝導のメカニズムの研究にもさらなるインスピレーションをもたらしました。

Q: 科学者は新しい高温超伝導体を探索するためにどのような方法を使用するのでしょうか?

回答: 新しい高温超伝導体を探索する際に参考にできるアイデアは数多くあります。

1. 超高圧の助けにより、通常の圧力では得られない新しい材料構造が生成されます。水素含有量が多い物質は室温超伝導体となる可能性があります。このアイデアは2015年から継続的に試みられており、実際に260 Kの超伝導体LaH10など、多くの極めて高温の超伝導体が発見されています。

2. 超伝導体の既存の微視的メカニズムから始めて、どの相互作用が超伝導温度の上昇に役立つかを研究し、複数の相互作用を利用して臨界温度を上げる新しい材料を再設計して構築します。

3. 3 次元材料の思考枠組みから抜け出し、複合材料や 2 次元界面における室温超伝導を探したり、1 次元の世界で原子構成要素を再構成したりします。

4. 現在の AI コンピューティング能力の助けを借りて、さまざまな既知の超伝導材料特性の膨大なデータベースを通じてトレーニングを実行できます。超伝導のメカニズムが不明な場合でも、新しい超伝導体、さらには室温超伝導体を予測するのに役立ちます。これは、データベースの精度と AI の信頼性に依存します。科学者たちの取り組みはまだ始まったばかりで、ある程度の進歩は見られるものの、残念ながら室温超伝導体は実現できていません。

専門家：中国科学院物理研究所研究員、羅慧謙氏

制作：中国科学普及協会