理化学研究所（理研）創発物性科学研究センター強相関量子伝導研究チームの山本文子客員研究員、強相関物性研究グループの寺倉千恵子技師、十倉好紀グループディレクターと、産業技術総合研究所（産総研）電子光技術研究部門の竹下直主任研究員の共同研究グループは、高温超伝導銅酸化物の高圧力下電気抵抗測定の結果から、より高い超伝導臨界温度を実現する物質設計に新たな指針を示しました。
超高速で走るリニアモーターカーや病院での検査に用いるMRI（磁気共鳴画像）装置は、“超伝導”と呼ばれる現象を応用しています。超伝導状態になると電気抵抗がゼロになり、原理的には送電中の熱ロスが全くなくなります。また、従来と同じ太さの電線に大量の電流を流せるという利点もあります。そのため、超伝導体は、情報化社会において肥大化しつづけるエネルギー消費を抑えることができる材料として研究が進められています。ただ、超伝導状態の発現には超伝導臨界温度（Tc）まで冷却する必要があり、この温度をいかに上げるかが実用化への重要な課題となっています。
共同研究グループは、現在、大気圧下で最も高いTc（現時点でマイナス140℃程度）を示す高温超伝導銅酸化物のTcをさらに上昇させようと試みました。超伝導物質に高い圧力をかけながらその電気抵抗を測定し、圧力によるTcの変化を調べました。その結果、大気圧で最も高いTcを示す化学組成よりも、ホール（正孔）などのキャリアの少ない組成のほうが、高圧力下でより高いTcになることが明らかになりました。このことは、小さい元素への置き換えや薄膜化などによって擬似的な圧力が実現できれば、大気圧下でも、よりTcの高い超伝導体が得られる可能性があることを示します。
今回、共同研究グループが見いだした知見は、今後の新しい超伝導物質開発の新たな指針となりうるものです。もし、Tcを室温レベルまで引き上げることができれば、エネルギーロスを極限まで抑えた“超省エネルギー社会”が実現できます。本研究を受けて、今後、精力的な新超伝導材料開発が加速すると期待できます。
本研究の一部は、独立行政法人日本学術振興会科学研究費補助金基盤研究（B）「制御された異方的超高圧力下の物理」（研究代表：竹下直）および同補助金基盤研究（B）「高圧力磁気測定の技術開発がもたらす磁性・超伝導材料研究のブレイクスルー」（研究代表：美藤正樹）の助成を得て行われました。成果は、英国のオンライン科学雑誌『Nature Communications』（12月1日付け：日本時間12月1日）に掲載されます。
超高速で走るリニアモーターカーや病院での検査に用いるMRI（磁気共鳴画像）装置は、“超伝導”と呼ばれる電気抵抗がゼロになる現象を応用しています。例えば、発電所から家庭へ電気を運ぶ送電線を超伝導状態にすることができれば、送電中の熱ロスを大幅に抑えることができます。また、従来と同じ太さの電線に大量の電流を流せるという利点もあります。そのため、超伝導体は大量のエネルギーを消費する高度情報化社会を支え、省エネルギー社会を構築するための機能材料として注目され、研究が進められています。ただ、超伝導状態の発現には、室温以下の低温が必要で（現時点で最も高温でもマイナス140℃程度）、冷却や管理にコストがかかります。そのため、超伝導の応用は高付加価値が得られるものに限られています。この超伝導の発現に必要な温度（超伝導臨界温度：Tc）を上げ、運用コストを下げることが実用化における重要な課題となっています。
共同研究グループは、現在、大気圧下で最も高いTcを示す水銀系超伝導銅酸化物Hg1223とHg1212のTcをさらに上昇させようと試みました。理研のキュービックアンビル型高圧発生装置（高温用）を用いて、従来のHg1223とHg1212よりも粒子間の結合が密接で強度が高く、高圧力下でひびなどが入らない試料を作成しました。これは高圧力下での物理的性質を正確に測定するために重要です。また、適切な熱処理を行い、キャリア量を制御してさまざまなTcを持つHg1223とHg1212を得ました。
次に、理研、産総研のキュービックアンビル型高圧発生装置（低温用）を用いて、Hg1223とHg1212に高い圧力をかけながら電気抵抗率を測定し、圧力によるTcの変化を調べました。この装置は非常に等方的な圧力を発生させることが可能で、かつ、その到達圧力は世界でも最高クラスの20万気圧を超えるものです。Hg1223の測定の結果、大気圧に比べ、22万気圧ではTcが20℃以上上昇しました（図1）。また、Hg1212も同様の傾向を示しました。
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図1 水銀系超伝導銅酸化物Hg1223の電気抵抗率の温度変化（左）と結晶構造（右） |
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左図中、APが大気圧、4 GPaが4万気圧に相当する。22万気圧では超伝導臨界温度Tc(矢印)が、AP より20℃以上上昇した。Hg1223の基本組成はHgBa2Ca2Cu3O8+d、右図はその結晶構造を示す。なお、APのデータは比較しやすくするため電気抵抗率の測定結果を0.65倍して表示している。 |
さらに、Hg1223とHg1212について異なるキャリア量を持つ試料ごとに圧力によるTcの変化を調べました。その結果、大気圧下で最も高いTcを示す化学組成を持つ試料よりもキャリア量の少ない組成を持つ試料の方が、高圧力下でより高いTcを示すことが明らかになりました。図2にHg1212での解析の結果を示します。大気圧においてTcの最高値はマイナス147℃でしたが、6万気圧では、Tcの最高値はマイナス134℃、Δp （大気圧下で最も高いTcを示す試料のキャリア量をゼロとしてその値からの差）はマイナス0.025でした。さらに12万気圧では、Tcの最高値はマイナス125℃、Δp はマイナス0.051でした。この傾向はHg1223にも見られました。この「よりキャリアが少ない物質は、Tcにおいてより高い圧力効果を受ける」という発見をもとに、高圧力によって収縮された結晶と同じ状態を小さい元素への置き換えや薄膜化などによって実現できれば、大気圧下でより高いTcを持つ超伝導体の開発に繋がる可能性があります。また、高圧力下での結晶構造解析や物理的特性の測定が進めば、Tc上昇の要因を解明できる可能性もあります。
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図2 水銀系超伝導銅酸化物Hg1212の超伝導臨界温度のキャリア量による変化(左）と結晶構造(右） |
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APが大気圧、6 GPaが6万気圧に相当。矢印はそれぞれの圧力下でTcが最も高くなるキャリア量を示す。大気圧下で最も高いTcを示す試料のキャリア量をゼロとして、その値からの差をΔpで表した。Hg1212の基本組成はHgBa2CaCu2O6+d、右図はその結晶構造を示す。 |
今回、共同研究グループは、より高い超伝導臨界温度を実現する物質設計の新しい指針を得ました。もし、Tcを室温レベルまで引き上げることができれば、エネルギーロスを極限まで抑えることができます。今後、本研究をきっかけに超伝導臨界温度をより高める実験的および理論的研究が促進され、“超省エネルギー社会”の実現につながる室温超伝導体の開発が加速すると期待できます。