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超伝導体はその大きな応用可能性により大きな注目を集めています

新たな高温超伝導体の探索

それは科学界が目指している目標です

Nature が復旦大学の最新の結果を発表しました

また新たな高温超伝導体を発見！

復旦大学物理学科

趙軍教授のチーム

高圧光学フローティングゾーン技術を使用して成長に成功

3層の酸化ニッケルLa4Ni3O10

高品質の単結晶サンプル

証明された酸化ニッケルは圧力によって引き起こされる

バルク超電導

（バルク超伝導）

超電導体積率は86%に達します

この研究では、このタイプの材料が次のような症状を示すことも判明しました。

エキゾチックメタルと独特の層間結合挙動

高温超電導の仕組みを理解してもらうために

新しい視点とプラットフォームを提供します

北京時間7月17日夜、研究結果は「加圧三層La4Ni3O10-δ単結晶における超伝導」というタイトルでネイチャー最新号に掲載された。 同時に、Nature は「News&Views」欄で「超電導の探索が広がる」というタイトルでこの記事のハイライトを推奨し、紹介しました。

趙軍（前列左から3人目）研究チームメンバーの集合写真

酸化ニッケルはバルク超電導体になり得るのでしょうか?

物理パズルには答えがある

超伝導体とは、抵抗がゼロで、特定の転移温度下で完全に反磁性になる材料を指し、送電やエネルギー貯蔵、医療画像処理、リニアモーターカー、量子コンピューティングなどの分野で広く使用できます。アプリケーションの価値。これまでに超伝導の研究で10人の科学者がノーベル賞を受賞している。

1911 年、オランダの物理学者ヘイケ カメルリング オンネスは、水銀 (Hg) を約 4 K (「K」は熱力学の略です。温度単位が「ケルビン」(4 K=-269.15℃) の場合、水銀の抵抗は突然消えてゼロになります。科学者たちは長い間、水銀、鉛、アルミニウムなどの従来の金属と単純な合金だけが極低温で超電導を示すことができると信じていました。

ヨハネス・ゲオルグ・ベドノルツとカール・アレクサンダー・ミュラーが、ランタン・バリウム銅酸化物（La-Ba-Cu-O）現象の高温超伝導を発見したのは1986年になってからであり、臨界温度は30Kにも達する可能性があります。その後、中国の科学者を含む多くの国の科学者が、超電導臨界温度を液体窒素温度範囲（77 K）から 130 K を超えるまで上昇させました。

高温超伝導の発見は、超伝導は極低温でのみ存在し得るという人々の理解を打ち破りました。長年にわたり、世界中の科学者が高温超伝導現象についてさまざまな形で詳細な研究を行ってきましたが、40年近くの努力にもかかわらず、その形成メカニズムは依然として未解決の謎です。

高温超伝導の研究における重要なテーマは、新しい高温超伝導体の探索です。一方で、人々は高温超伝導のメカニズムを新たな視点から理解するための手がかりを見つけることを望んでいますが、その一方で、新しい材料系は新たな応用の可能性をもたらす可能性もあります。

ニッケルは周期表では銅に次ぐ存在であり、酸化ニッケルは高温超電導を実現するための重要な候補材料の一つと考えられています。しかし、数十年にわたる研究の結果、酸化ニッケルで超電導を実現する条件は非常に厳しいことが判明した。

2019年、NiO2表面の無限層を備えたNd0.8Sr0.2NiO2系は、転移温度が約5〜15Kの超伝導性を有することが報告された。ただし、このタイプの系の超伝導は薄膜サンプルでのみ存在し、バルク材料では超伝導を実現できません。

2023年、中国の科学者は、二層NiO2表面構造を持つ酸化ニッケルLa3Ni2O7の圧力誘起高温超伝導を発見した。超伝導臨界温度は80Kに達し、酸化ニッケルの超伝導転移温度が液体窒素温度領域までさらに上昇した。 。しかし、この材料は超電導体積分率が低く、フィラメント状超電導性を発現しやすく、バルク超電導体を形成しにくい。したがって、新しい超電導システムを発見し、超電導体積分率を高め、バルク超電導を達成することが重要です。

今回Natureが発表した研究結果では、Zhao Jun氏のチームは高品質の三層酸化ニッケルLa4Ni3O10単結晶サンプルの合成に成功し、そのサンプルは超伝導臨界温度である超伝導体積以下で抵抗がゼロで完全に反磁性を示した。この割合は 86% に達しており、これは酸化ニッケルのバルク超電導特性を強く証明しています。

「この超電導体積分率は銅酸化物高温超電導体の体積分率に近く、間違いなく酸化ニッケルのバルク超電導性を裏付けるものである。」とZhao Jun氏は述べた。

超電導研究に新たな視点とプラットフォームを提供

より高性能な高温超伝導体の発見に取り組む

Zhao Jun は、カリフォルニア大学バークレー校で博士研究員としての研究を終えた後、2012 年に復旦大学物理学科に来ました。彼の研究は、高温超伝導体や量子磁性材料などの関連電子システムに関する中性子散乱研究に焦点を当てています。また、大規模で高品質の単結晶の成長とその熱力学および輸送特性の測定にも取り組んでいます。

「高温超伝導研究の進歩は主に実験、特に新しい超伝導体の発見によってもたらされます。これまでのところ、既存の理論では完全に説明できない現象がたくさんあります。」と趙軍氏は述べた。結晶サンプルは非常に過酷であり、単結晶サンプルの安定した成長を実現するには、特定の高酸素圧力環境で高温と鋭い温度勾配を維持する必要があります。相形成のための酸素圧力ウィンドウが小さいため、複数の酸化ニッケル層が形成されます。これは共生現象であり、成長過程で頂点酸素位置に多数の欠陥が発生しやすく、これが酸化ニッケルの超電導含有量が低い理由である可能性があります。」

チーム高圧光学フローティングゾーン技術の活用多数のサンプルを成長させ、ルールを常に探索してまとめ、何度も失敗を繰り返した後、最終的に純相 3 層 La4Ni3O10 酸化ニッケル単結晶サンプルの合成に成功しました。さらに、チームは一連の中性子回折とX線回折測定を実施しました。材料の格子構造、酸素原子座標、含有量を正確に測定したところ、頂点酸素欠陥がほとんどないことが分かりました。。

(a) La4Ni3O10-δ 単結晶サンプルの写真、(b) 中性子および X 線回折データ、(c) 圧力下での格子構造の変化。

高品質の単結晶サンプルに基づいて、研究チームと共同研究者は、ダイヤモンドアンビル技術を使用して、La4Ni3O10 の超伝導の圧力誘起ゼロ抵抗現象を発見しました。69 GPa の圧力下では、超伝導臨界温度は 30 K に達します。反磁性データに基づいて、この単結晶サンプルの超電導体積分率は 86% もの高いと推定され、酸化ニッケルのバルク超電導特性が確認されました。

La4Ni3O10-δ単結晶サンプルの抵抗と磁化率の測定結果

NiO2表面の化学環境が同一である無限層酸化ニッケルや二層酸化ニッケルとは異なり、三層構造による独特のサンドイッチ構造により、NiO2表面の外層と中間層で異なる化学環境を持たせることができ、内層と外層は異なる化学環境を持ち、NiO2 表面では異なる磁気構造、電子相関強度、電荷濃度、さらには超伝導ペアリングの強度が生成され、この構造も超伝導の制御にさらなる可能性をもたらします。高温超伝導の形成における層間結合と電荷移動の役割を理解するための独自のプラットフォームを提供します。

さらに、三層酸化ニッケルは無限層系や二層系よりも強い反強磁性秩序を持っており、スピン相関とスピンゆらぎの関係や酸化ニッケルの高温超伝導機構を理解するための良い基盤となります。機会とスピン変動が銅酸化物超伝導ペアリングにおいて重要な役割を果たすと広く考えられています。

また、本研究の成果は、圧力下におけるLa4Ni3O10系の超伝導状態図を精緻に描写し、状態図における電荷密度波/スピン密度波、超伝導性、エキゾチック金属の挙動、結晶構造の相転移との関係を明らかにしました。この結果は、酸化ニッケル超伝導体が銅酸化物超伝導体とは異なる層間結合機構を持っている可能性があることを示しており、これは酸化ニッケル超伝導体の電気機構の研究に重要な洞察を提供し、スピン秩序と電荷秩序とフラットバンド構造を探索するための基礎を提供する。層間相関、珍しい金属挙動、および高温超伝導は、重要な材料プラットフォームを提供します。

加圧下におけるLa4Ni3O10-δの状態図

次のステップでは、Zhao Jun氏のチームは引き続き高温超伝導の分野の主要な問題に焦点を当て、さまざまなシステムにおける高温超伝導体の固有の接続とメカニズムを調査し、より高性能な高温超伝導体を理解して発見する予定です。 。

復旦大学教授のZhao Jun氏、中国科学院物理研究所研究員Guo Jiangang氏、北京高電圧科学研究センター研究員Zeng Qiaoshi氏が論文の共同連絡著者となっている。復丹大学物理学科博士研究員のZhu Yinghao氏、北京高電圧科学研究センターの博士課程学生Peng Di氏、復丹大学物理学科のZhang Enkang氏、中国海洋大学のPan Bingying准教授、および中国科学院物理研究所のエンジニア Chen Xu が共同筆頭著者です。この研究は、国立科学技術財団、科学技術省、上海科学技術委員会、北京自然科学財団、山東自然科学財団の支援を受けた。この研究のデータの一部は、中国科学院の総合極限条件実験施設、米国のオークリッジ国立研究所、上海シンクロトロン放射線源などの大規模な科学プラットフォームで収集された。

記事リンク

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07553-3

編集

学校メディアセンター

言葉

イン・メンハオ・ディン・チャオイ

写真

写真提供：インタビュー対象者

担当編集者

イン・メンハオ

邱潔新

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