超電導。より良い材料を見つけるための新しいトリック

超電導。より良い材料を見つけるための新しいトリック 物理

ニッケル酸化物は、将来の超電導技術のための新たな有望材料です。

ウィーン工科大学(TU Wien)の研究者たちはこのたび、ニッケル酸化物の電子構造を解明することに成功しました。

高温超伝導は、30年以上の研究を経てもなお、材料物理学の大きな謎の1つです。

ある種の物質が、比較的高い温度でも抵抗なく電流を流すことができるメカニズムは、まだ完全には解明されていません。

2年前、新しいクラスの有望な超伝導体が発見された。

「層状ニッケル酸化物」と呼ばれる物質です。

今回、ウィーン工科大学の研究チームは、理論と実験を比較することで、この新しい超電導体の重要なパラメータを決定することに初めて成功しました。

これは、これらの物質の高温超伝導の電子的メカニズムを理解するために使用できる理論モデルが初めて利用可能になったことを意味します。

高温超電導体を求めて

現在、多くの超電導体が知られていますが、そのほとんどが絶対零度に近い極低温でしか超電導になりません。

それ以上の温度でも超伝導を維持する物質を「高温超伝導体」と呼びますが、この「高温」(多くは-200℃以下のオーダー)は人間の基準ではまだ極寒です。

しかし、さらに高い温度でも超伝導を維持する物質が見つかれば、多くの新技術の扉を開く画期的な発見となります。

長い間、銅原子を含む銅酸化物と呼ばれる物質が有望視されてきました。

しかし今、別の種類の材料がさらに有望であることがわかってきました。

ニッケル酸化物とは、銅の代わりにニッケルを用いた、銅酸化物と似た構造を持つ物質です。

「ニッケル酸化物は、銅酸化物と構造が似ていますが、銅の代わりにニッケルが使われています。今回発見されたニッケル酸化物で同様の成果が得られれば、大きな前進となります。」と、ウィーン工科大学固体物理学研究所のJan Kuneš教授は語ります。

アクセスしにくいパラメータ

このような超電導体の挙動を記述する理論モデルはすでに存在します。

しかし問題は、これらのモデルを使用するためには、特定の材料パラメータを知る必要があり、そのパラメータを決定するのは困難だということです。

Kuneš氏は、「電荷移動エネルギーが重要な役割を果たします。この値は、ニッケル原子から酸素原子に電子を移動させるために、システムにどれだけのエネルギーを加えなければならないかを示しています。」と説明します。

残念ながら、この値は直接測定することができず、また、理論的な計算も非常に複雑で不正確です。

そこで、Kuneš氏の研究グループの一員である播木 敦氏は、このパラメータを間接的に測定する方法を開発しました。

材料をX線で調べると、その結果は電荷移動エネルギーにも依存するからです。

「このパラメータに特に敏感なX線スペクトルの詳細を計算し、さまざまなX線分光法による測定結果と比較しました。」とJan Kunešは説明します。

より優れたニッケル酸化物を探すための重要な前提条件

このようにして、材料の電子構造を正確に説明し、ニッケル酸化物の超伝導を記述するためのパラメータ化された理論モデルを設定することが初めて可能になったのである。

Kuneš氏は、「これで、効果のメカニズムを電子レベルでどのように説明できるかという問題の真相に迫ることができます。どの軌道が決定的な役割を果たしているのか?どのパラメータが詳細に問題となるのか?この材料をさらに改良して、いつの日か、かなり高い温度まで超伝導が持続する新しいニッケル酸化物を生産できるようにするには、この点を知る必要があります。」と語りました。

Published by Vienna University of Technology. Keisuke Higashi et al, Core-Level X-Ray Spectroscopy of Infinite-Layer Nickelate: LDA+DMFT Study, Physical Review X (2021). DOI: 10.1103/PhysRevX.11.041009