超伝導

カリフォルニア工科大、高温超伝導発現メカニズムの仮説提唱。より高温での超伝導を実現する可能性も


カリフォルニア工科大学の研究チームが、銅酸化物の高温超伝導発現メカニズムを説明する仮説を提起しています。また、この仮説に基づいて、より高温での超伝導体を作り出せる可能性があるとも指摘しています。

図1 Tahir-Kheli-Goddardモデルにおける高温超伝導体での電子移動経路。隣り合うプラケットを伝ってつながったパーコレート経路が赤い矢印で表されている (Credit: Caltech/Tahir-Kheli/Goddard)

ある種の材料では、極めて低温に冷却されたとき電気抵抗がゼロとなる超伝導状態が発現することが知られています。多くの超伝導体では超伝導が発現する相転移温度Tcが非常に低いため、絶対零度(-273℃)近くまで冷却する必要があります。MRIの磁場発生に使われているニオブスズ合金のTcは-248℃であり、冷却剤には液体ヘリウム(沸点-269℃)が用いられます。

一方、高温超伝導体と呼ばれる材料は、Tcが-200℃から-100℃程度と比較的高いことが特徴です。例えば、1993年に発見された銅酸化物高温超伝導体のTcは-135℃であり、冷却剤として液体窒素(沸点-196℃)を使うことができます。依然として極めて低温ではあるものの、液体窒素のコストは液体ヘリウムの100分の1程度であるため、より実用的な超伝導材料であると言えます。

高温超伝導体の研究の究極的目標は、通常の室温条件で動作する「室温超伝導体」を開発することです。室温超伝導が実現すれば、携帯電話中継塔の信号伝送性能向上や送電網の堅牢性向上、リニアモーターカーのような浮上式移動車両の実用化による燃料コストの劇的削減などが可能になります。

「より高い温度で動作する高温超伝導体を作り出すためには、既存の高温超伝導が働く仕組みを解明する必要がある」と研究チームの材料科学者 William Goddard III氏は言います。「これまで高温超伝導の発現メカニズムに関する非常に多くの論文が発表されてきたが、これに関する満足できる説明はいまだされておらず、実際、Tcの値は過去18年間上がっていない」とGoddard氏は指摘しています。

すべての銅酸化物系超伝導体は、もともとは磁性絶縁体であり、「ドーピング」と呼ばれるプロセスによって超伝導体に転移します。ドーピングとは、原子の一部を他の元素の原子に置換したり、酸素原子を出し入れしたりすることによって、母材の化合物からの電子の移動に関与するプロセスです。しかし、これまでのところ、ドーピングの何が銅酸化物を超伝導状態にさせるのかは分かっていません。

Goddard氏と共同研究者の Jamil Tahir-Kheli氏は、この4年間に、銅酸化物での高温超伝導発現メカニズムを説明する仮説を構築する3つの論文を発表しています。彼らの研究では、ドーパントであるストロンチウム原子でランタン原子を置換した銅酸化物が用いられています。

図2 (a)と(b)は銅酸化物La2-xSrxCuO4においてドーパントSr近傍に形成される4サイトのプラケット構造。CuO2平面の外部に縮退した2つのエネルギー状態がみられる。CuO2平面内の原子は赤色 18インチ サマータイヤ セット【メヴィウス(ZVW41N系)】MID RMP 028F ハイパーメタルコート/ミラーカット 8.0Jx18ヨコハマ エコス ES31 215/45R18、平面外の軌道および原子は緑色で表している。(c)はドーピングされていないCuサイト(左)とドーピングされたCuサイト(右)のエネルギー準位 (Goddard and Tahir-Kheli, J. Phys. Chem. Lett., 2011, 2 (18), pp 2326-2330 / DOI: 10.1021/jz200916t)

研究チームが行った最新の第一原理計算によると、ドーピングされたストロンチウム原子の近傍には図2(a)(b)のように4つのCuサイトが一組となったプラケット(plaquette)という構造が形成されるといいます。プラケット内部の電子は微小な金属状態を形成し、一方プラケット外部の電子は磁性を持ちます。この計算結果は、ドーパント原子を加えたときに起こる事象に関して多くの科学者が行っていた予想とは真逆のものでした。

Goddard氏とTahir-Kheli氏が立てた仮説は、十分な量のドーパント原子が加えられたとき、プラケットが超伝導電流経路(パーコレート経路)を形成し、このパーコレート経路を通って材料全体で電子が移動できるようになるというものです。プラケット外部の磁性を持つ電子はプラケットの経路内を移動する電子と相互作用し、「この作用によって電子がペアを組むことで 【エスペリア Espelir】クラウン/ハードトップ 等にお勧め ダウンサスプラス / フロント用左右セット 型式等:GRS180 品番:EST-3890F、超伝導状態が発現する」とTahir-Kheli氏は言います。

研究チームの最新論文では、銅酸化物系超伝導体にみられる擬似ギャップ(pseudogap)という不思議な相を説明することで、この仮説をさらに進めています。

すべての超伝導体には、超伝導エネルギーギャップが存在しています。超伝導エネルギーギャップとは、電子を超伝導基底状態から励起させ、超伝導に関連しないより高いエネルギーレベルにもっていくために必要なエネルギー量のことです。このエネルギーギャップはTcより高い温度では消失しますが、銅酸化物系超伝導体においては、Tcより高い温度でも大きなエネルギーギャップが持続します。これが擬似ギャップです。

擬似ギャップに関して、高温超伝導の研究者は2つの陣営に分かれています。1つの陣営は擬似ギャップは超伝導と何らかの関係があるといい 185/55R15 82V Goodyear グッドイヤー LS EXE LS エグゼ weds LEONIS NAVIA 05 ウエッズ レオニス ナヴィア 05 サマータイヤホイール4本セット、他方の陣営は、擬似ギャップは超伝導とは関係なく ヨコハマ スタッドレス アイスガード シックス アイスガード6 IG60 165/65R15 & ジョーカー マジック 15×4.5 100/4H + 45 ソリオ ハイブリッド MA36S/MA46S、恐らく超伝導と競合する相であると主張します。Goddard氏とTahir-Kheli氏の仮説は後者に属しています。「擬似ギャップは材料の超伝導特性を減らしていると考えられる」とTahir-Kheli氏は言います。そして「擬似ギャップの起源もまた、プラケットの位置取りに関連している」と付け加えます。

両氏は、超伝導に寄与しないプラケットに注目することで擬似ギャップを説明しています。こうしたプラケットは離ればなれになっており、他のプラケットに直接隣接していません。研究によれば、これらの離ればなれのプラケット内には等しいエネルギーを持つ2つの異なった量子状態が存在しているといいます。この2つの量子状態は近くにある他のプラケットと相互作用することができ、この作用点において、2つの量子状態のエネルギーに差が生じます。このエネルギー差が擬似ギャップです。従って、擬似ギャップのサイズを決定するためには 、離ればなれになっているプラケットの数を数え、それらが互いにどのくらい離れているかを測ればよいことになります。

「擬似ギャップに関与している電子は、超伝導に寄与しないという意味では役に立たない電子です」とGoddard氏は言います。「こうした電子の重要性は、擬似ギャップが離ればなれのプラケットに由来することから、もしドーパント位置を制御して孤立したプラケットをなくすことができれば超伝導状態の温度を上げることができるということを示唆している点にあります」

Goddard氏とTahir-Kheli氏の仮説に基づく予想では、ドーパント原子の位置取りを慎重に行うことによって、-73℃で超伝導状態になる材料を作れる可能性があるとのこと。彼らは、このようなTcの向上が過去18年間の停滞に終止符を打ち、エネルギーや医療分野に実用的な影響をもたらす真の高温超伝導体の創造に向けた大きな進展になるだろうと指摘しています。


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