超電導研究の新時代

ウィーン工科大学 2023 年 4 月 25 日

ウィーン工科大学と日本の大学の研究者らは、コンピューターシミュレーションを使用して、最適な超電導の「ゴールデンゾーン」を特定した。 電子間の相互作用が強いが強すぎないこのゾーンには、パラジウム酸塩と呼ばれる新しい種類の材料が到達し、超伝導研究の新時代につながる可能性がある。

ウィーン工科大学は、比較的高温でも超電導を維持する超電導体を作成するための「ゴルディロックス」材料として貴金属パラジウムの使用を示唆する計算を実施した。

現代物理学の分野では、高温および大気圧下でも超電導性を維持する超電導体を作成するための最適な方法を特定するという、刺激的な研究が進行中です。 この探求は最近、ニッケル酸塩の出現によって活発化され、超電導の新時代の到来を告げています。

これらの超電導体の基礎はニッケルにあるため、多くの科学者がこの超電導研究の時期を「ニッケル時代」と呼ぶようになりました。 多くの点で、ニッケル酸塩は、1980 年代に発見された銅をベースとした銅酸塩と似ています。

しかし今、新しい種類の材料が登場しています。ウィーン工科大学と日本の大学との協力により、コンピュータ上でさまざまな材料の挙動を以前よりも正確にシミュレーションすることが可能になりました。

There is a "Goldilocks zone" in which superconductivity works particularly well. And this zone is reached neither with nickel nor with copper, but with palladium. This could usher in a new "age of palladates" in superconductivity research. The results have now been published in the scientific journal Physical Review LettersPhysical Review Letters (PRL) is a peer-reviewed scientific journal published by the American Physical Society. It is one of the most prestigious and influential journals in physics, with a high impact factor and a reputation for publishing groundbreaking research in all areas of physics, from particle physics to condensed matter physics and beyond. PRL is known for its rigorous standards and short article format, with a maximum length of four pages, making it an important venue for rapid communication of new findings and ideas in the physics community." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">物理的なレビューレター。

高温では、超伝導体は他の伝導性材料と非常によく似た挙動をします。 しかし、特定の「臨界温度」以下に冷却されると、電気抵抗が完全に消失し、突然、損失なく電気を通すことができるようになり、劇的に変化します。 材料が超伝導状態と常伝導状態の間で変化するこの限界は、「臨界温度」と呼ばれます。

"We have now been able to calculate this "critical temperature" for a whole range of materials. With our modeling on high-performance computers, we were able to predict the phase diagram of nickelate superconductivity with a high degree of accuracyHow close the measured value conforms to the correct value." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">後の実験で示されたように、精度は非常に優れています」とウィーン工科大学固体物理研究所のカルステン・ヘルド教授は言います。

Many materials become superconducting only just above absolute zeroAbsolute zero is the theoretical lowest temperature on the thermodynamic temperature scale. At this temperature, all atoms of an object are at rest and the object does not emit or absorb energy. The internationally agreed-upon value for this temperature is −273.15 °C (−459.67 °F; 0.00 K)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">絶対零度 (-273.15°C) のものもあれば、はるかに高い温度でも超伝導特性を保持するものもあります。 通常の室温および通常の大気圧でも超電導状態を維持できる超電導体は、電気の生成、輸送、使用の方法に根本的な革命をもたらすでしょう。 しかし、そのような物質はまだ発見されていません。

それにもかかわらず、銅酸化物クラスの超伝導体を含む高温超伝導体は、たとえば大電流の送電や非常に強い磁場の生成など、技術において重要な役割を果たしています。

可能な限り最高の超電導材料を探すのは困難です。問題となる化学元素は数多くあります。 それらを異なる構造にまとめたり、他の元素の微量を追加して超伝導を最適化したりできます。 「適切な候補を見つけるには、材料内で電子がどのように相互作用するかを量子物理レベルで理解する必要があります」とカルステン・ヘルド教授は言う。

これは、電子の相互作用強度には最適値があることを示しました。 相互作用は強力でなければなりませんが、強すぎてもいけません。 その間には最高の転移温度を達成できる「ゴールデン ゾーン」があります。

この中程度の相互作用のゴールデンゾーンは、銅酸塩でもニッケル酸塩でも到達できませんが、新しいタイプの材料、いわゆるパラジウム酸塩を使えば的中する可能性があります。 「パラジウムは周期表でニッケルのすぐ1行下にあります。性質は似ていますが、そこにある電子は平均して原子核から、また電子相互からいくらか離れているため、電子相互作用は弱くなります」とカルステン・ヘルド氏は言う。

モデル計算は、パラジウム データの最適な転移温度を達成する方法を示します。 「計算結果は非常に有望です」と Karsten Held 氏は言います。 「私たちは、それらを使用して実験研究を開始できることを願っています。超伝導をより深く理解し、さらに優れた超伝導体を作成するために、パラジウム酸塩を使用できる全く新しい追加の材料があれば、研究分野全体が前進する可能性があります。」

参考文献: 「超伝導の最適化: 銅酸化物からニッケル酸塩からパラジウム酸塩まで」北谷元春、Liang Si、Paul Worm、Jan M. Tomczak、Ryotaro Arita、Karsten Held、2023 年 4 月 20 日、Physical Review Letters.DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.166002