21℃の室温超伝導は本当に実現するのでしょうか？しばらく弾丸を飛ばしましょう

質問、2023年3月8日

今日は何曜日ですか？

答え：国際女性デー

それでどうする？

それから…​​…

そしてこの日はアメリカ物理学会の3月の会議の日でもあります。この日を過小評価しないでください。普通の日のように思えますが、何かが世界を変え、人類の物理学の進歩を変えるかもしれません。

ロチェスター大学のディアスチームは、水素、窒素、ルテチウムの3つの元素からなる三元相である、常圧に近い室温超伝導体を発見したと発表した。研究チームは、約10kbar（1GPa、約1万気圧に相当）で約294K（約21℃）の室温超伝導を実現できると考えている。

超伝導体 |画像はウィキより

ここで、超伝導とは何か、なぜ私たちは室温超伝導の発見にそれほど興奮しているのかと疑問に思う人もいるでしょう。

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超伝導とその応用価値

超伝導状態は物質の特殊な状態です。超伝導状態では、物質は抵抗がゼロの状態になります。中学校2年生の物理では、抵抗は物質の共通の性質であると教えられます。電流が材料を流れると、その内部の格子や不純物などがキャリアの移動を妨げます。キャリア自体が運ぶエネルギーが格子に伝達され、マクロスケールでジュール熱が発生し、それに応じて電位が低下します。

抵抗のない超伝導体には、上記のような問題はまったくありません。超伝導体に電流が流れると、熱も電圧降下も発生しないため、電流は減衰することなく超伝導体内を流れます。

明らかに、超伝導体の重要性は明らかです。すべての電線が超伝導体で作られていれば、エネルギーの減衰は発生しません。現在私たちが使用している超高圧送電技術は、実際には送電線の電圧を上げてエネルギー損失を最小限に抑えるものです。しかし、超伝導線を使用すれば、この問題はまったく発生しません。それは業界全体を完全に書き換えるでしょう。変電所を必要とせず、主電圧で直接電気を送ることができます。直流電流を直接使用できる可能性があります。

超伝導体の出現により、UHV 送電線が変化する可能性があります |著作権画像、転載禁止

しかし、超伝導Tc（超伝導転移温度、超伝導体が通常状態から超伝導状態に入る温度）の制限により、このアイデアはまったく実現不可能です。現在までに発見された超伝導体のほとんどは、Tc が液体窒素の沸点である 77K (-196℃) 未満です。 Tc がこのレベルを下回る超伝導体は、ほとんどの場合、より高価な液体ヘリウムで冷却して超伝導状態にします。銅ベースの超伝導体のうち、Tc が 77K を超えるものはごくわずかで、液体窒素で冷却すると超伝導状態になります。

それでも、超伝導体はすでに私たちの日常生活で使用されています。病院における核磁気共鳴画像診断では超伝導体が使用され、これは超伝導体のもう 1 つの主要な応用分野、すなわち大きな磁場の生成に関係しています。

この物体の内部には超伝導体が入っています |著作権画像、転載禁止

大きな磁場が必要になったとき、まず何を思い浮かべるでしょうか?磁石？いいえ、いいえ、永久磁石の磁場は私たちの要件を満たすには程遠いのです。中学2年生で習った物理の知識を思い出してみましょう。そうです、電源が入ったソレノイドです！ ！電流を使用すると磁場も得られます。さらに興味深いのは、磁気誘導の強さは電流の強さに比例するということです。つまり、電流が大きいほど、磁場は強くなります。

しかし、大電流では、前述のジュール熱と電圧降下という2 つの問題が発生します。大電流が流れると熱が発生します。さらに絶望的なのは、ジュール熱が電流の二乗に比例するということです。したがって、電流が増加すると、それに応じて磁場も増加しますが、発熱は二乗で増加し、最終的にはエネルギーの大部分が内部エネルギーに変換されます。

これまでに発見された高温超伝導体 |画像はウィキより

ジュール熱の発生源は抵抗です。抵抗がない限り、ジュール熱の影響は完全に無視できます。したがって、ここでの超伝導体の重要性は明らかです。超伝導線材を使ってコイルを作ると、コイル内の電流強度をほぼ制御不能なほどに増加させることができ（磁場も超伝導状態を抑制することができます。ここで注意すべき点は、発生する磁場は超伝導体の臨界磁場を超えることはできないということです） 、強い磁場を得ることができます。これが NMR における強い磁気の源です。

上記のシナリオに加えて、2 つの異なる超伝導体で作られたジョセフソン接合にも重要な応用価値があります。これを使えば、現在最も正確な磁場検出装置であり、超伝導量子コンピューターにも重要な応用があるSQUIDを作ることができます。

これを読めば、室温超伝導の重要性についてある程度理解できるはずです。もし本当に常圧下での室温超伝導が発見されれば、人類社会全体に大きな変化をもたらすことになるでしょう。既存の技術は破壊に直面し、エネルギー問題が大幅に緩和され、それは人類全体にとって大きな進歩的意義を持つことになるだろう。

ディアスの研究を理解するために、超伝導体とその輸送特性の発見過程を簡単に紹介しましょう。

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超伝導の発見とメカニズム

1911年、オンネスは冷凍装置を改良し、初めて液体ヘリウムの沸点以下に温度を下げることに成功しました。この期間中、彼は水銀の抵抗が 4.2K で突然ゼロになることを発見しました。何度も確認した結果、彼は最終的に、これは実験上のミスや誤りではなく、水銀の固有の性質であると判断しました。これによって、彼は超伝導への扉を開いたのです。水星は Tc が 4.2K で、私たちが発見した最初の超伝導体でもあります。

実際、多くの物質は超伝導性を持っています |画像はウィキより

オンネスは水銀の電気抵抗のみを測定し、電気輸送における超伝導体の特性、すなわちゼロ抵抗を明らかにしました。

オネス（右から1番目） |画像はWikiより

その後、1933年にマイスナーは、超伝導状態になったスズや鉛の金属球の磁場分布を測定していたところ、物質が超伝導状態になると内部の磁場が急速に体外に放出され、磁場は超伝導体の外側にのみ存在するということを発見しました。この超伝導体は完全な反磁性を示した。これがマイスナー効果です。

その後の研究で、超伝導体はタイプ I 超伝導体とタイプ II 超伝導体にさらに分類できることがわかりました。タイプ I 超伝導体は完全な反磁性効果を示し、内部に磁場はまったく存在しません。 2 番目のタイプの超伝導体では、磁場によって超伝導体の内部に磁束量子が生成されます。つまり、磁場が部分的に超伝導体に入ることができます。

上記の超伝導体に関する研究は、主にその特性を探求することに関するものです。実は私たちも超伝導の内部メカニズムを探り、その本質を探究してきました。

最初の試みはロンドン方程式でしたが、この理論では侵入深さと外部磁場の関係を明らかにすることができませんでした。 1950 年頃、旧ソ連の科学者ギンツブルグとランダウは、超伝導を説明するための現象論的理論、ギンツブルグ-ランダウ理論(GL 理論) を提唱しました。この理論は、ランダウの二次相転移理論に基づいており、秩序パラメータを使用して超伝導体を記述します。この理論は超伝導体をうまく説明します。上述の第一種超伝導体と第二種超伝導体は、GL方程式を解くことによって得られる界面エネルギーの正負の値によって決定されます。

GL理論によれば、超伝導体の通常状態から超伝導状態への遷移は二次相転移である。したがって、理論的には、比熱の測定において、Tc でジャンプ、つまりピークを見つけることができます。これは後に実験的に確認されました。

理想的な超伝導体の電気的特性と比熱特性 |画像はウィキより

ここまで読んで、超伝導に関する記事を書くのはとても簡単だということがわかったはずです。抵抗、磁化率、そして可能であれば比熱を測定するだけです。比熱を測定できなくても、大した問題ではありません。これらをすべて実行したら完了です。

最後に、超伝導を説明するのに現在最も優れた理論は BCS 理論であることを簡単に述べておきたいと思います。この理論の核心は、電子が結晶格子と結合すると、電子が電子を引き付け、 2つの電子がクーパー対を形成する可能性があるというものです。クーパー対を形成する電子はボソンとみなすことができます。低温では「凝縮」が起こり、凝縮したクーパー対にエネルギーが散逸することなく流れることができるため、超伝導状態が実現します。

しかし、 BCS理論ではすべての超伝導状態を説明できるわけではありません。 BCS理論に基づいてマクミラン限界、つまりBCS理論に適合する超伝導体のTcは40Kを超えないと計算しましたが、実際には銅系超伝導体や鉄系超伝導体など多くの超伝導体がこの限界を突破しています。このような超伝導体は高温超伝導体と呼ばれ、20 K 未満の従来の超伝導体と比較して、Tc がはるかに高いことを意味します。

本来は実験で高電圧を得る方法を紹介したかったのですが、スペースの都合上、機会があればまたお話ししたいと思います。

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新しい室温超伝導体

上記の予備知識を踏まえて、Natureに掲載されたこの記事を見てみましょう。

ディアスの名前を見ましたか?最後の

ほとんどの超伝導論文と同様に、ディアスの研究チームはサンプルの電気輸送、磁化率、比熱を測定した。

まずは抵抗測定結果を見てみましょう。左の図は、10、16、20 kbar（1、1.6、2.0 GPa）での抵抗測定結果を示しています。 3 つの電圧すべてにおいて抵抗が 0 に減少します。これは超伝導体の主な特性の 1 つです。 Tc は 1 GPa で最高になることに注意してください。圧力が低いほど、Tc は高くなりますが、これは予想外の結果です。挿入図はサンプルと電極の写真です。右の図は超伝導状態と通常状態のVI曲線を示しています。

この数値は磁化率の測定値です。図 a は、温度 60Oe における 8kbar (0.8GPa) での磁気モーメントの変化を示すグラフです (Oe はガウス系の磁場強度の単位で、ガウス、つまり 1T=10000Oe と理解できます)。 Tc が 277K (4°C) であることがはっきりとわかります。図bは磁気モーメントと外部磁場の関係を示しており、これも超伝導体の特性と一致しています。図cは異なる圧力下でのMT曲線です。ここでの Tc は抵抗器の Tc と一致しており、遷移温度範囲も非常に小さいため、非常に良好な遷移となっています。しかし、図 a では、研究チームが元のデータに対して何らかの処理を行ったこともわかります。

ここで言及すべきもう 1 つの点は、磁化率の測定はサンプルの形状や背景などの要因によって明らかに影響を受けるということです。理論上、超伝導体は完全な反磁性（つまり 4πχ=-1）を示すはずですが、実際の測定では完全な反磁性を測定できない（つまり 4πχ＞-1）のは当然です。もちろん、ディアスの記事には削減はありません。図 a の縦軸は磁気モーメントであり、磁化率ではありません。

ディアスは比熱も測定しており、その結果は上の図に示されています。ここでは10、10.5、20 kbarの測定結果を示します。 3 つの比熱曲線はすべて、比熱における超伝導の遷移を示していることがわかります。 Tc と抵抗の測定結果は若干異なりますが、完全に理解可能です。この結果は妥当です。しかし、比熱の変化は明らかではなく、特に 10.5 kbar の曲線ではピークが明らかではなく、10 kbar での変化は 20 kbar での変化ほど明らかではないと言わざるを得ません。これら 3 つの比熱の遷移も多少異なって見えます。特に、10 kbar と 10.5 kbar のデータはわずか 0.5 kbar しか違わないのに、画像は非常に異なります。しかし、測定は高圧下で行われるため、私たちが気付いていない困難がいくつかある可能性があります。

Dias はサンプルのXRD (X 線回折) 結果も示し、単位格子画像を描画しますが、これももちろん必要です。

図aはXRDの結果です。彼らはMoターゲットを使用しました。赤い線は理論計算の結果、円は実際の測定結果、青い線は両者の誤差です。測定結果と計算結果の差は非常に小さいことがわかります。このサンプルは純粋な相であると言えます。ディアスチームは、サンプルが92.25%を占め、不純物はLuN1−δHεとLu2O3であると計算しました。

図bは彼らが描いた単位格子図です。白い原子は水素、緑の原子はルテチウム、ピンクの原子は窒素原子です。彼らが提供したサンプルの化学式は LuH3−δNε です。 61 kbar での空間群は Fm-3m と Immm ですが、Dias は超伝導相の空間群は前者であると考えています。

最後に、サンプルの超伝導状態図を示します (これは元のテキストの最初の画像です)。 Tc は圧力が増加すると減少しますが、これは誰もが予想していた以上のことであり、将来的には研究の焦点となる可能性があります。図bは圧力によるサンプルの形態の変化を示しています。通常の圧力では青色ですが、圧力が増加するにつれて徐々にピンク色に変わり、最終的には赤色に変わります。サンプルの色は、まだとてもお祭りっぽいです。

スペースが限られているため、補足資料については説明しません。興味のある学生は、Nature の公式 Web サイトをご覧ください。

N ドープルテチウム水素化物における常温付近の超伝導の証拠 |自然

記事から判断すると、この研究は間違いなく画期的であり、関連する証拠も十分である。再現できれば、将来ノーベル賞を受賞できるかもしれない。しかし、物理学の研究は単なる一党の意見ではありません。いかなる科学的研究も検証に耐えうるものでなければならず、この研究も例外ではありません。この作業は、業界内のさまざまな研究グループによって繰り返されることになるはずです。何度も繰り返して結果の正しさが確認されれば、画期的な作品となるでしょう。今年のノーベル賞の予想には自信が持てるようになりました。

この研究は、室温超伝導に近い環境下での超伝導であると主張している。上記から、Tc の最高点の圧力は 1Gpa、つまり約 10,000 気圧であることがわかります。まだ非常に大きいですが、以前の 270 万気圧よりはるかに小さくなっています。繰り返しの難しさも大幅に軽減されます。多くの研究グループが実験を繰り返し始めていると思います。

しかし、この結果に対しては、現状では様子見の姿勢をとっている人が多い。一方で、それは繰り返し行われた実験の結果がまだ出ていないためであり、他方では、ディアス氏の過去の「犯罪歴」のためかもしれない。

実際、これに先立ち、ディアスはすでに2つの画期的な成果を上げていました。 1つは金属水素であり、もう1つは従来の室温超伝導体です。

ディアス氏は最初、高圧下で金属水素を合成したと主張し、関連論文をサイエンス誌に発表したが、他の研究グループはそれを再現できなかった。彼は後に、不適切な保管により金属水素を保管する装置の圧力が漏れ、最終的に圧力不足により金属水素が気化して消失したと主張した。その後、ディアスは再び金属水素を合成することはなかった。そのため、金属水素は「未解決事件」となったと言えます。

水素化物の最後の室温超伝導体もディアスによって合成され、達成された圧力は 270GPa に達しました。関連する結果はネイチャー誌に掲載されたが、その後の研究グループが実験を繰り返そうとしたが成功しなかった。そして、ディアスが元のデータを開示しなかったため、多くの人が彼が磁化率データの処理に間違った方法を使用し、正しくない結論を得たと信じていました。そのため、全員一致の抗議により、この論文は最終的にネイチャー誌から撤回されました。もちろん、ディアス研究チームのメンバー全員が撤退に抗議したが、結局は回復不可能となった。

まさにこの二つの事件のせいで、この分野の多くの科学者はディアス研究チームを実際に信用していないのだ。結局のところ、彼らのデータ結果は常に他のものよりもはるかに優れています。しかし今回、ディアスは包括的かつ豊富であると言える大量​​の生データを提供しました。さらに、今回の結果は 1GPa の圧力のみを必要とし、再現も比較的簡単です。この結果についてはすぐに結論を出すことができると思います。待って見てみましょう。

著者: ムー・ジ

出典：中国科学院物理研究所

参考文献：羅慧謙、「超伝導「小時代」：超伝導の過去、現在、未来」、清華大学出版、2022年。