東大、転移温度の制御が可能な新しいタイプの超伝導体を発見

東京大学は、転移温度の制御が可能な新しいタイプの超伝導体を発見したと発表した。これにより、高温超伝導体の探索に新たな指針を提案できるとしている。

同成果は、同大 物性研究所の大串研也特任准教授、Bosen Wang特任研究員らによるもの。詳細は、「Scientific Reports」に掲載された。

超伝導は、科学的観点からのみならず工学的観点からも重要な現象で、すでにMRIやリニアモーターカーなどで実用化されている。しかし、これまでに見つかっている超伝導体は、超伝導を示す温度領域が低温に限定されており、冷却に多大なコストがかかるなど、実用化を図る上での障壁が存在している。現在までに知られている超伝導ファミリには、銅酸化物鉄ニクタイド二ホウ化マグネシウムなどがあるが、さらなる新しい超伝導ファミリの開拓が期待されていた。

今回の研究は、地球のマントル最深部でケイ酸塩化合物が有するポストペロブスカイト構造のアンチ構造に着目して、新しいタイプの超伝導体を探索したもので、その結果、バナジウム、リン、窒素からなるアンチポストペロブスカイト型バナジウム化合物V₃PNが、4.2K(-268.9℃)以下で電気抵抗を消失し、超伝導状態になることを発見。超伝導体の特徴の1つである外部磁場を完全に排除するというMeissner効果を確認し、超伝導が不純物由来ではなく試料固有のものであることを確認したという。これまでポストペロブスカイトおよびアンチポストペロブスカイト構造を有する化合物では超伝導状態の報告がないため、アンチポストペロブスカイト型バナジウム化合物V₃PNは、新しい超伝導ファミリと言えるという。

今回の研究では、アンチポストペロブスカイト型バナジウム化合物V₃PNの窒素が欠損したり、リンが砒素に置き換わったりすることで、転移温度が大きく変化することも発見した。例えば、この化合物の組成を最適化することにより、転移温度は5.6K(-267.5℃)に上昇した。このような転移温度が化合物の組成によって変化するメカニズムには、結晶構造の2次元性が鍵を握っていることが判明した。現段階では、アンチポストペロブスカイト型バナジウム化合物における電子のペア形成の起源は解明されていないが、電子間相互作用が重要な役割を担っていることが示唆されており、フォノンに加えてスピン揺らぎもペア媒介の起源として考慮する必要があることが分かった。

アンチポストペロブスカイト型バナジウム化合物の超伝導転移温度は低温に留まっているものの、組成や構造を最適化することで転移温度をさらに改善することが見込める。また、様々な先端的実験手法を駆使し、微視的観点からこの化合物がどのようなメカニズムによって超伝導を発現しているかを解明することで、新たな高温超伝導体の設計指針を確立できる可能性が期待されるとコメントしている。