岡山大、銅酸化物高温超伝導体の結晶をひずませると電荷が現れることを発見

岡山大学は6月19日、「ビスマス系銅酸化物高温超伝導体」の結晶(銅と酸素が結合した正方形)をひずませると、超伝導に代わって電荷秩序(電荷の並びに規則性がある状態)が現れることを発見したと発表した。

同成果は、岡山大学術研究院環境生命自然科学学域(理)の川崎慎司准教授(低温物性物理学)、同・鄭国慶教授(同)、岡山大大学院自然科学研究科の佃菜桜大学院生(研究当時)、独・マックスプランク研究所のChengtian Lin博士らの国際共同研究チームによるもの。詳細は、英オンライン科学誌「Nature Communications」に掲載された。

(左)銅酸化物高温超伝導体の一般的相図。今回の研究で測定に用いられたのは最適ドープ試料(星印)。(右)今回測定されたBi₂Sr_1.6La_0.4CuO₆の結晶構造。銅酸化物において、高温超伝導は、銅(青丸)と酸素(赤丸)で構成されるCuO₂面(水色)で生じることが知られている(出所:岡山大プレスリリースPDF)

化石燃料に頼らない社会を実現するためには、太陽光や風力発電などの再生可能エネルギーの割合を大きく増やすことが必要なのに加え、あらゆる場面での省エネルギー化が不可欠であり、電力消費を抑えるのに有効なのが、電気抵抗ゼロになる(=電力ロスがゼロになる)超伝導なのはいうまでもない。仮に、発電所から家庭や工場などまでの送電・配電網の多くを超伝導体で構築することができたら、送電ロスは莫大なものになる。

このように、脱炭素社会の実現と生活の利便性の向上に、超伝導は必要なものだが、その普及には大きな課題があるのもよく知られている。常圧環境下では、超伝導は極低温にならないと現れないからだ。超電導ケーブルを用いて送電網を構築して送電ロスを減らせたとしても、それ以上に極低温に冷却するのにエネルギーを消費してしまっては意味がない。そのためにも、冷却コストのかからない「室温超伝導物質」が強く求められている。

現在、銅酸化物超伝導体が室温超伝導の有力候補とされるが、実際には最高超伝導転移温度(Tc)は-140℃とまだ室温には遠く、しかもその超伝導の発現の仕組みは不明な上、室温超伝導への指針もないため、道のりは容易ではない。仕組みがわかっていない理由の1つに、超伝導の背景が不明なことが挙げられるという。その背景は、特に「異常金属相(擬ギャップ)」と呼ばれている。

今回の研究で用いられた一軸ひずみセルの画像(左)と展開図(右)(当該論文より転載された画像)。画像中央の黒い板がビスマス系高温超伝導体の単結晶の板(縦×横×高さ=2.0×0.6×0.1mm³)。ピエゾ素子に加える電圧を変えることで、ナノメートルオーダーで自由自在に試料のひずみ量を変えることが可能(出所:岡山大プレスリリースPDF)

銅酸化物は、結晶内で銅と酸素が結合して作られる正方形の「CuO₂面」で超伝導が起きる。ところが、これまでその正方形の構造そのものと超伝導の関係が調べられた実験はほとんどなかったという。そこで研究チームは今回、自作のピエゾ素子駆動の一軸性圧力発生装置(一軸ひずみセル)を用いて、超伝導とCuO₂面の関係を核磁気共鳴法により調べることにしたとする。

測定対象には、銅酸化物系の中でも、結晶内のCuO₂面が1枚のビスマス系銅酸化物「Bi₂Sr_1.6La_0.4CuO₆」(Tc=32K(約-241℃))が選ばれた。実験の結果、CuO₂面が正方形からひずむと超伝導が抑制され、わずか0.15％のひずみで超伝導に代わって電荷秩序が現れることが判明。高温超伝導の背景である異常金属相に、実は電荷秩序が隠されていたことがわかったのである。この結果は、銅酸化物においては、正方形のCuO₂面の中で高温超伝導と電荷秩序がコインの裏表のように密接な関係にあることが示されており、超伝導発現の仕組みを考える上で新たな鍵となることが考えられるとした。

(a)今回の研究で得られたビスマス系銅酸化物の超伝導と電荷秩序のひずみ依存性(当該論文より抜粋された画像)。(b)ひずみを加えることでCuO₂面内に電荷量の周期的な空間分布(電荷秩序)ができる様子が示されている(色の濃淡が電荷の濃淡に相当)。(c)CuO₂面内の電荷秩序の詳細が示されている。電荷秩序はひずみを加えた方向に周期的な波、"電荷密度波"として現れる。正方形のCuO₂面内で超伝導と電荷秩序が微妙なバランスで存在していることが明らかにされた(出所:岡山大プレスリリースPDF)