予期しない場所での超伝導性

超伝導性——材料が絶対ゼロ抵抗で電流を伝導する現象——は、1911年の発見以来、物理学者を魅了してきました。その科学的歴史の大部分において、超伝導性は低温現象として理解されていました。特定の材料を絶対零度に十分に近くまで冷却すると、電子は調整された対に組織化され、これらの対は材料の格子構造を散乱や エネルギー損失なく移動します。この振る舞いを説明する理論的フレームワークは、その開発者Bardeen、Cooper、Schriefferにちなんで名付けられたBCS理論として知られており、従来の超伝導体の説明に極めて成功しています。

しかし、自然はめったにその最も便利な説明に限定されません。新しい研究は、スピネル結晶構造——広範な鉱物と合成化合物の家族に見られる原子の配置——を持つ材料における圧力誘起超伝導性の顕著な例を記録しました。この材料の超伝導性は、BCS理論が直接予測しない方法で振る舞います。この材料の超伝導性は単に冷却によってではなく、高圧の印加によって発生し、異常な電子メカニズムが機能していることを示唆する方法で行われます。

この発見が重要である理由

スピネル構造は、一般的な式AB2X4を持つ化合物の一種です。ここで、AとBは金属カチオンであり、Xは典型的には酸素または硫黄です。それらは自然界に一般的です——宝石スピネル自体、磁鉄鉱およびクロマイトは、この家族に属しており、それらの磁気および電子特性について広く研究されています。圧力下のスピネル化合物において超伝導性を発見することは、現象の存在だけでなく、それが現れる特定の方法のために注目に値します。

従来の圧力誘起超伝導体では、圧力は典型的には結晶格子の幾何学を変更することによって作用します。つまり、Cooper対形成を担当する電子-phonon結合を変更する方法で原子をより密接に押し付けます。研究者がこのスピネル化合物で観察したものは、このフレームワークに完全に適合しません。圧力は、より複雑な電子の再編成を引き起こしているようで、軌道orbital自由度または競合する磁気および超伝導秩序パラメータを含む可能性があり、標準的なBCS理論はこれらを捉えていません。

この種の非従来型超伝導性は、強い研究関心の対象です。部分的には、未解決の高温超伝導性の謎に手がかりを提供する可能性があるためです。物理学者が、極端な冷却を必要としないメカニズムを通じて一部の材料が超伝導体になる理由を理解できれば、室温またはその近くで超伝導するエネルギー伝送、医療画像処理、量子コンピューティング、および無数の他のテクノロジーに対して変革的な発展になるでしょう。

高圧物理学の実験的課題

この種の超伝導性を誘起するのに必要な極端な圧力下での材料の研究は、技術的に困難です。研究者は通常、diamond anvil cell——小さなサンプルを2つの宝石品質のダイヤモンド間に挟み、ギガパスカル単位で測定された圧力にそれを圧縮するデバイス——を使用します。これは惑星の内部深くで発見される条件をシミュレートしています。これらの条件下での電気特性、特に超伝導遷移の測定には、極めて感度の高い計器が必要です。

研究者は電気抵抗測定をX-ray diffraction及び他の構造プローブと組み合わせて、圧力と温度の範囲にわたって電子的振る舞いと結晶構造の両方を追跡しました。彼らは特定の圧力閾値で超伝導性の開始を特定し、追加の圧力変化に伴って遷移温度がどのように進化するかを特徴付けました。結果の相図は、理論物理学者が説明する必要がある競合する電子状態の物語を語ります。

材料発見への意味

この研究の広範な意義の1つは、潜在的な超伝導材料の景観について何を述べるかです。1986年に銅酸化物化合物での高温超伝導性の発見後、数十年間、新しい超伝導体の探索は主にempirical——新しい化合物を試し、それを冷却し、抵抗がゼロまで低下するかどうかを確認したものです。圧力がambient条件下で兆候を示さない材料の超伝導性をアンロック出来ることの認識は、探索空間を劇的に拡張します。

スピネル族だけで、さまざまな元素組成を持つ数百の化合物が含まれています。この特定のスピネルの超伝導性を駆動するメカニズムを理論的に理解し、計算的にモデル化できれば、他のスピネル化合物——および潜在的に他の構造族——を同様の可能性について、試行錯誤ではなく合理的にスクリーニングすることが可能になります。materials informatics生成ツールをmachine learningに適用して材料発見を予測するために既に適応されており、このスピネル結果の実験的確認は、これらのアプローチに校正するための新しいデータポイントを与えます。

アプリケーションへの長い道

圧力誘起超伝導性の実験室発見と実用的なアプリケーション間の距離について明確に見ることが重要です。高圧超伝導性には、定義上、実世界のデバイスで維持するのが難しい条件が必要です。この研究の最も直接的に価値のある結果は理論的です——非従来型超伝導性のパズルに新しいピースを追加し、ambient条件下で同様の電子状態を達成する材料の設計を示唆しています。

超伝導性研究の歴史は、多くの材料にわたる実験的および理論的理解の患者による蓄積であり、その後、材料の新しいクラスが予期せず高い温度と低い圧力で開かれるジャンプが続きます。注意深く文書化され、深く理解された新しい非従来型メカニズムの各発見は、それらのジャンプに向けた一歩です。圧力誘起超伝導体としてのスピネル結晶の秘密の生活は、そのような一歩です。

この記事はPhys.orgのレポートに基づいています。元の記事を読む。