これまでで最高温度の153Kでの超伝導転移を「Hg-1223」で観測 -産総研など

　

　産業技術総合研究所(産総研)と理化学研究所(理研)は1月30日、高圧合成技術を用いて作製した水銀系銅酸化物高温超伝導体の1つである「Hg-1223」の電気抵抗率を15万気圧の超高圧力下で測定し、超伝導現象の最も基本的な性質である電気抵抗の消失(ゼロ抵抗状態)を現在最も高い153K(約-120℃)で観測したと発表した。

　成果は、産総研 電子光技術研究部門 超伝導エレクトロニクスグループの竹下直主任研究員、同・伊豫彰主任研究員、同・永崎洋研究グループ長、理研の山本文子基幹研究所研究員らの共同研究グループによるもの。研究の詳細な内容は、日本物理学会発行の「Journal of the Physical Society of Japan」2013年2月号に掲載される予定だ。

　超伝導は、ゼロ抵抗や完全反磁性、ジョセフソン効果に代表される特徴的な性質を示すことから、基礎研究だけではなく、エネルギー分野、産業・輸送分野、医療分野、情報・通信分野など、幅広い領域で応用に向けた研究が行われている。

　この中で、超伝導転移温度の向上は、その適用範囲を広げることに繋がるため、超伝導の研究における1つの目標とされているのは、多くの人が知るところだ。

　銅酸化物高温超伝導体は1986年に発見され、それまでの超伝導転移温度を一気に窒素温度以上にまで引き上げた。また、同じく高温での超伝導を実現できるとして知られる鉄系超伝導体は2008年に発見されている。現在、大気圧において最も高い超伝導転移温度を持つ物質は1993年に発見され135Kの転移温度が観測されたHg-1223である。

　水銀系銅酸化物高温超伝導体(Hg-1223)の圧力下の電気抵抗率の温度変化。画像1(左):圧力を加えていくと電気抵抗がゼロとなる超伝導転移温度が上昇していく。画像2(右):最高圧力の15万気圧での電気抵抗の温度依存性では、ゼロ抵抗状態が153K以下に見られる

　画像3。超伝導材料のゼロ抵抗状態を伴う超伝導転移温度(Tc)の変遷。今回の研究では最も高い転移温度での電気抵抗ゼロの超伝導現象を観測した

　一方、Hg-1223は圧力の増加と共に超伝導転移温度が上昇するという傾向がこれまで報告されていたが、電気抵抗の消失が確認されておらず、実際にどの温度で超伝導現象が起きているのかがわからなかった。

　圧力下での超伝導転移温度の振る舞いを正しく捕らえることができれば、その仕組みの考察が可能となるため、今後、高圧力下ではなく大気圧において、より高い超伝導転移温度を持つ新しい超伝導物質を設計・合成するための大きな指針を得ることができるというわけだ。

　今回の研究では、まず試料の合成に「高圧合成法」が用いられた。この試料作成法により、これまでにない質の高いHg-1223多結晶試料が得られたのである。次に、「疑似静水圧」下における超高圧力下電気抵抗測定技術によって、この高品質な試料を超高圧力下までその品質を損なわずに測定することに成功した。

　高圧合成と超高圧下電気抵抗測定の両方に用いられた圧力発生装置は「キュービックアンビル型」と呼ばれるもので、圧力発生部分を上下左右前後の6方向から均等に圧縮することで等方性の高い圧力発生を行うことができるというものである。

　画像4(左)は、今回の研究で用いた、高圧合成装置。画像5(右)は、キュービックアンビル型圧力下物性測定装置の圧力発生部分

　これらの結果として、これまで得られなかったゼロ抵抗を伴う超伝導転移をすべての圧力下で測定と観測を行うことができるようになった。画像6が、初めて得られたHg-1223における超伝導の正しい温度-圧力相図(Tc-P相図)である。

　これにより、圧力と超伝導転移温度との関係がどのようになるべきか、理論的なモデルとの対比なども可能となった。そして今後、高圧力下ではなく大気圧中において、さらに高い超伝導転移温度を持つ物質を開発する上での具体的な設計指針を得られるようになることが期待されるという。

　また、今回の測定における最高圧力の15万気圧において、153Kの転移温度での超伝導現象を観測することに成功した。これは、現在最も高い温度でのゼロ抵抗を伴う超伝導現象の測定である。

　画像6。今回の研究で得られたHg-1223における超伝導転移温度と圧力の関係(Tc-P相図)

　研究グループは今後、さらに同じ水銀系銅酸化物高温超伝導体の異なる試料でのTc-P相図の解明を目指す予定だ。また、ほかの銅酸化物高温超伝導体における正しいTc-P相図の研究も行い、銅酸化物高温超伝導体がどこまで高い超伝導転移温度を実現できるのか明らかにし、より高い転移温度を実現する新物質の開発の可能性を追求していくとしている。