物理学者が自然界にも存在する組成を持つ初の型破りな超伝導体を特定

固体化学は、自然界には見られない特性を備えた大量の材料を生成してきました。 たとえば、銅酸化物と呼ばれる酸化銅化合物の高温超伝導は、天然に存在する金属や合金の超伝導とは大きく異なり、しばしば「型破り」と言われます。 型破りな超伝導は、鉄系超伝導体や重フェルミオン超伝導体などの他の合成化合物にも見られます。 エイムズ国立研究所の物理学者らは、Rhの合成サンプル中に型破りな超伝導性を示す有力な証拠を発見した。₁₇S₁₅、これは鉱物ミアサイトとしても自然界に見られます。

超伝導とは、材料がエネルギーを損失することなく電気を伝導できることです。

超伝導体には、医療用 MRI 装置、電力ケーブル、量子コンピューターなどの用途があります。

従来の超伝導体はよく理解されていますが、臨界温度が低くなります。

臨界温度とは、材料が超伝導体として機能する最高温度です。

1980 年代に科学者たちは、その多くがはるかに高い臨界温度を持つ、型破りな超伝導体を発見しました。

「これらの材料はすべて研究室で栽培されたものです」とエイムズ国立研究所の研究者ルスラン・プロゾロフ氏は言う。

「この事実により、型破りな超電導は自然現象ではないという一般的な考えが生まれました。」

「ほとんどの超伝導元素や化合物は金属であり、酸素などの他の元素と反応する傾向があるため、自然界で超伝導体を見つけるのは困難です。」

「ミアサイトが興味深い鉱物である理由はいくつかありますが、その理由の 1 つはその複雑な化学式です。」

「直感的には、これは集中的な探索中に意図的に生成されたものであり、自然界には存在し得ないと考えられます。 しかし、そうなることが判明した。」

ミアサイト結晶の成長は、非常に高融点の元素 (Rh など) と揮発性元素 (S など) を組み合わせた化合物を発見するという大規模な取り組みの一環でした。

エイムズ国立研究所およびアイオワ州立大学の物理学者、ポール・キャンフィールド教授は、「純粋な元素の性質に反して、私たちは最小限の蒸気圧で結晶を低温で成長させることができるこれらの元素の混合物の使用法を習得してきました」と述べた。 。

「それは、大きくて太った魚がたくさんいる隠れた釣り堀を見つけるようなものです。 Rh-S系で3つの新しい超伝導体を発見しました。」

「そして、詳細な測定を通じて、ミアサイトが型破りな超伝導体であることを発見しました。」

研究者らは、ミアサイトの超伝導の性質を決定するために 3 つの異なるテストを使用しました。

主なテストはロンドン侵入深度と呼ばれます。 弱い磁場が表面から超電導体バルクにどれだけ浸透できるかが決まります。

従来の超電導体では、この長さは低温では基本的に一定です。

ただし、型破りな超電導体では、温度に応じて直線的に変化します。

このテストは、ミアサイトが型破りな超伝導体として動作することを示しました。

チームが実施した別のテストは、材料に欠陥を導入することでした。

「このテストは、彼のチームが過去 10 年間にわたって採用してきた特徴的なテクニックです。 これには高エネルギーの電子を物質に照射することが含まれます」とプロゾロフ博士は語った。

「このプロセスではイオンがその位置からノックアウトされ、結晶構造に欠陥が生じます。」

「この障害は材料の臨界温度の変化を引き起こす可能性があります。」

従来の超伝導体は非磁性障害の影響を受けにくいため、このテストでは臨界温度の変化がまったくないか、ほとんど変化しません。

型破りな超伝導体は無秩序に対して非常に敏感であり、欠陥が導入されると臨界温度が変化または抑制されます。 また、材料の臨界磁場にも影響します。

ミアスサイトでは、科学者らは、臨界温度と臨界磁場の両方が、型破りな超伝導体において予測どおりに動作することを発見した。

型破りな超伝導体を調査することで、科学者は超伝導体がどのように機能するかについての理解が深まります。

「これは重要です。なぜなら、型破りな超電導の背後にあるメカニズムを解明することが、超電導体を経済的に健全に応用するための鍵となるからです」とプロゾロフ博士は述べた。

この発見は雑誌の論文で報告されています コミュニケーション資料。

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H・キム 他。 2024. ミアサイト Rh17S15 のノード超伝導。 共通の母材 5、17; 土井: 10.1038/s43246-024-00456-w