高温超伝導

テンプレート:Unsolved 高温超伝導（こうおんちょうでんどう、テンプレート:Lang-en-short）とは、高い転移温度 (Tc) で起こる超伝導である。

概要

「高温」の意味は、時代、状況によって異なるが、一般に高温超伝導と言えば、ベドノルツとミューラー（ミュラー）が、La-Ba-Cu-O系において1986年に発見したことから始まり、その後続々と発見された転移温度が液体窒素温度（−195.8 °C, 77 K）を越える一連の銅酸化物高温超伝導物質と、その超伝導現象のことを指す場合が多い。高温超伝導を示す物質のことを高温超伝導体という。銅酸化物であるものは銅酸化物高温超伝導体という。

高温という語は、通常は人間が「熱い」と感じるほど温度が高いことを表すが、高温超伝導における高温とは、従来の超伝導体と比較すると高温である−200℃～−100℃程度を指す。

なお、ミュラーとベドノルツはこの業績により、1987年のノーベル物理学賞を受賞した。

歴史

1985年、誘電体研究で著名なIBMチューリッヒ研究所のフェローとなっていたアレックス・ミューラーのもとで、ジョージ・ベドノルツはチタン酸ストロンチウムの研究を行っていた。この物質は強誘電体として良く知られている絶縁体であるが、電子ドープにより半導体から金属的となり、低い転移温度ながら超伝導を示す。ミューラーはヤーン・テラー型格子変形と超伝導との関係に興味をもっていた。ベドノルツはある日、図書室でLa-Ba-Cu-Oペロブスカイト系で液体窒素温度まで金属になるという論文を知り、早速作ってみると、試料は30 K付近から抵抗が減少し、10 K以下でゼロ抵抗になるように見えた。

彼らはドイツの会議でこの結果を発表したが、誰にも評価されることはなかった。そこでIBM T.J. Watson研究所に試料を送って真偽を鑑定してもらったが、比熱測定に超伝導転移による跳びが見られなかったことから超伝導ではないという結果が返ってきた。超伝導を認められなかったものの、1986年4月、ベドノルツとミューラーはとりあえずZeitschrift für Physikというドイツの学術誌に論文を投稿した^[1]。

この論文が公表された1986年、少なくとも世界の数カ所で結果の追試が行われた。このうち東京大学の田中グループは、この物質の結晶構造の同定とマイスナー効果を確認し、誰もが間違いないと確信できるレベルでLa-Ba-Cu-O系で超伝導が起こっていることを証明した。田中研で超伝導の存在が判明したのが1986年11月13日であり、12月5日にボストンの材料研究学会においてこの結果が発表された。これ以後、数年間にわたり高温超伝導探索のフィーバーが続いた。1987年2月には、90 K級で転移するY-Ba-Cu-O（Y系超伝導体）が発見された。短期間のうちにTcが60 Kも高められたことになる。

超伝導転移温度は次々と塗り替えられ、2014年現在、水銀系銅酸化物において高圧力下での166ケルビンの転移温度が最高記録であるとされている^[2]。ただし超伝導現象の最も基本的な性質であるゼロ抵抗は全く実現されておらず、この温度を超伝導転移温度と呼んでいいかについては議論がある。大気圧下では1993年に発見されたHg-1223の135Kが最も高い温度となる^[3]。

銅酸化物高温超伝導に関する研究論文は、1987年前後をピークとして発表数は減少傾向を示している。学術データベースの統計から判断すると、高温超伝導に関する研究は、2010年から2015年までの間に行き詰まりを迎えるとする見方もあった^[4]。

また、2000年前後には、フラーレンなどでも高温超伝導が生じるとする論文が数編提出されたが、後に全て研究者による捏造と判明して撤回された^[5] 。

2001年、青山学院大学の秋光純らのグループが40kが上限と考えられるBCS理論基づく超伝導体で、限りなく上限に近い転移温度39kの二ホウ化マグネシウムを発見^[6]。金属系超電導物質では最高温度となる^[6]。

2008年、東工大の細野秀雄らにより、鉄を含んだ組成の酸化物が超伝導を示すことが分かり、新たな鉱脈として大きな注目を集めている（鉄系超伝導物質）。ただ、超伝導転移温度は最も高い場合でも56K程度であり、銅酸化物高温超伝導体に対しては今のところ低い。

定義

高温超伝導体は国際電気標準会議 (IEC) の国際規定IEC60050-815(2000) と日本工業規格JISh7005(1999) により定義されており、「一般的に約25 K以上の臨界温度 (Tc) を持つ超伝導体」とある。しかし、転移温度が90 Kを超えるものが一般的になった今では液体窒素温度（−195.8 ℃、77 K）以上で転移するものを高温超伝導体と呼ぶことが多い。

結晶構造

YBa₂Cu₃O_7-δ （Tc～93K）やBi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ （Tc～109K）といった銅酸化物高温超伝導体は全て、ペロブスカイト構造を基礎とした結晶構造をしている。

これら銅酸化物高温超伝導体の構造には以下のような特徴がある。

2次元正方格子CuO₂面がシート状に広がっている。
多くの物質では、このシートの上下にはランタノイド等による電気伝導をブロックする層があり、CuO₂面とブロック層が交互に積層する構造をとっている。ブロック層が存在しない無限層と呼ばれるものもある。

超伝導体の名前

これらの超伝導体は、構成する元素の頭文字をとって呼ばれることが多い。たとえばYBa₂Cu₃O_7-δはYBCOと呼ばれ、Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀はBSCCO（ビスコ）と呼ばれる。一方、構成元素の物質量比（モル比）で呼ぶこともある。たとえばYBa₂Cu₃O_7-δはY123、Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀はBi2223などである。

性質

ファイル:高温超伝導の相図.png

高温超伝導体にはキャリアがホールであるものと、電子のものの2種類がある。前者をホールドープ型、またはp型と呼ばれ、後者は電子ドープ型、またはn型と呼ばれる。

ホールドープ型の高温超伝導体はホール濃度と温度により、右図のような状態をとる。ホール濃度がゼロのとき、反強磁性となり、ドープをすると反強磁性が消え、擬ギャップと呼ばれる状態になる。さらにドープすると超伝導になる。ドープを増やすと超伝導転移温度は上昇する。この領域をアンダードープ領域と呼ぶ。さらにドープすると転移温度は下がる。この領域をオーバードープ領域と呼ぶ。これ以上ドープすると超伝導は消え金属的になる。

機構

高温超伝導においても従来型の超伝導と同様にクーパー対が形成されていることが分かっている。従来型超伝導では、BCS理論により、フォノンを媒介とするクーパー対の形成機構が解明されているのに対し、高温超伝導におけるクーパー対の形成機構に関しては、完全な意見の一致は得られていない。高温超伝導体の発見後すぐに行われた同位体効果実験から、高温超伝導機構はフォノン機構では説明できないとされている。膨大な実験的・理論的な研究により、高温超伝導物質中のCuO₂2次元面内の電子系における、反強磁性的なスピンの揺らぎを媒介にしたクーパー対形成機構で、高温超伝導の機構を理解できるという立場が主流となっている。しかし酸素の同位体置換により超伝導電子密度が変化するという報告もあり、フォノンも何らかの寄与をしているものと考えられている。

例

超伝導体の転移温度の例 (液体窒素の沸点は比較のため)</small>
転移温度 (単位ケルビン)	材料	分類
138	Hg<math>_{12}</math>Tl<math>_3</math>Ba<math>_{30}</math>Ca<math>_{30}</math>Cu<math>_{45}</math>O<math>_{127}</math>	銅酸化物超伝導体
110	Bi<math>_2</math>Sr<math>_2</math>Ca<math>_2</math>Cu<math>_{3}</math>O<math>_{10}</math>(BSCCO)
92	YBa<math>_2</math>Cu<math>_3</math>O<math>_7</math> (YBCO)
77	液体窒素の沸点
55	SmFeAs(O,F)	鉄系超伝導体
41	CeFeAs(O,F)
26	LaFeAs(O,F)
39	MgB<math>_2</math>（二ホウ化マグネシウム）	金属低温超電導体
18	Nb<math>_3</math>Sn（ニオブスズ）
10	NbTi（ニオブチタン）
4.2	Hg（水銀）

応用

YBa₂Cu₃O_7-δの発見で転移温度が液体窒素温度を越えてから、高価な液体ヘリウムにかわって安価な液体窒素を使えることから実用への期待が高まった。しかし加工が難しいことや臨界電流密度を高めるのが難しいことから応用はなかなか進んでいない。応用としては送電線、高周波通信用超伝導フィルター、SQUID、磁界検出器、超電導リニア、米海軍の艦船推進用モーター、MRI^[7]など。