高温超伝導

高温超伝導（高温TcまたはHTS）は、臨界温度（超伝導体として振る舞う温度）が液体窒素の沸点である77 K（-196.2 °C、-321.1 °F）を超える材料_の超伝導です。[ 1 ]これらは、絶対^零度に近い温度でのみ機能する従来知られている超伝導体と比較して「高温」であるにすぎません。最初の高温超伝導体は、1986年にIBMの研究者であるGeorg BednorzとK. Alex Müllerによって発見されました。^{[ 2 ] [ 3 ]}臨界温度は約35.1 K（-238.1 °C、-396.5 °F）ですが、 Ching-Wu Chuはこの材料を改良し、臨界温度93 K（-180.2 °C、-292.3 °F）の最初の高温超伝導体を作りました。^{[ 4 ]}ベドノルツとミュラーは1987年に「セラミック材料における超伝導の発見における重要なブレークスルー」によりノーベル物理学賞を受賞した。 ^{[ 5 ]}高温超_伝導体のほとんどはII型超伝導体である。         

高温超伝導体の主な利点は、液体窒素を使用して冷却できることである^{[ 2 ]。}これは、高価で取り扱いが難しい冷却剤（主に液体ヘリウム）を必要とする従来の超伝導体とは対照的である。高温超_伝導体の2つ目の利点は、従来の材料よりも高い磁場でも超伝導性を維持することである。これは、高温超_伝導体の主要な用途である超伝導磁石を製造する際に重要である。

高温超伝導体の大部分は、従来知られていた金属材料ではなく、セラミックスである。セラミック超伝導体はいくつかの実用的な用途に適しているが、製造上の問題に直面する。例えば、ほとんどのセラミックスは脆いため、ワイヤの製造が複雑になる。^{[ 6 ]}

高温超伝導体の主な種類は、他の金属と組み合わせた銅酸化物、特にイットリウムバリウム銅酸化物（YBCO）などの希土類バリウム銅酸化物（REBCO）です。実用的な分類における高温超伝導体の2番目の種類は、鉄系化合物です。^{[ 7 ] [ 8 ]}二ホウ化マグネシウムは、高温超伝導体に含まれることがあります。製造は比較的簡単ですが、39 K（-234.2 °C）以下でしか超伝導しないため、液体窒素冷却には適していません。  

超伝導は1911年にカメルリング・オネスによって金属固体で発見されました。それ以来、研究者たちは室温超伝導体を見つけることを目標に、より高い温度で超伝導を作り出すことを試みてきました^{[ 9 ] [ 10 ]}。1970年代後半までに、いくつかの金属化合物（特にNbベースのNbTi、Nb3Sn、Nb3Geなど）で、元素金属よりもはるかに高い温度、さらには20K（-253.2℃）を超える温度で超伝導が観測_されました。  

1986年、スイスのチューリッヒ近郊にあるIBM研究所で、ベドノルツとミュラーは、新しい種類のセラミックス、すなわち銅酸化物、またはキュプラートにおける超伝導を探していました。その年、ベドノルツとミュラーは、ランタンをベースとしたキュプラートペロブスカイト材料であるランタンバリウム銅酸化物（LBCO）において、転移温度が35 Kの超伝導を発見しました（1987年ノーベル物理学賞）。^{[ 11 ]}ランタンをイットリウムに置き換える（つまりYBCOを作る）と、臨界温度が90 K以上に上昇することがすぐに判明しました。 ^{[ 12 ]}彼らの結果はすぐに多くのグループによって確認されました。^{[ 13 ] [ 14 ]}   

1987年、フィリップ・W・アンダーソンは共鳴価電子結合（RVB）理論に基づいてこれらの物質の最初の理論的記述を与えたが、^{[ 15 ]}これらの物質の完全な理解は今日でも発展途上にある。これらの超伝導体は現在、d波ペア対称性を持つことが知られている。高温銅酸化物超伝導がd波ペアリングを伴うという最初の提案は、1987年にNEビッカーズ、ダグラス・ジェームズ・スカラピーノ、RTスカレッターによってなされ、^{[ 16 ]}続いて1988年にマサヒコ・イヌイ、セバスチャン・ドニアック、ピーター・J・ヒルシュフェルド、アンドレイ・E・ルッケンシュタインがスピンゆらぎ理論を用いて、^{[ 17 ]}クラウディウス・グロス、ディディエ・ポワブラン、モーリス・T・ライス、FCによって3つの理論が発表された。 Zhang ^{[ 18 ]}およびGabriel Kotliarと Jialin LiuはRVB 理論の自然な結果としてd波ペアリングを特定しました。 ^{[ 19 ]}銅酸化物超伝導体のd波性質の確認は、角度分解光電子分光法(ARPES) による励起スペクトルのd波ノードの直接観測、トンネル実験での半整数フラックスの観測、侵入深さ、比熱、熱伝導率の温度依存性からの間接的な観測など、さまざまな実験によって行われました。

2001年までは、銅酸化物が唯一の真の高温超伝導体だと考えられていました。その年、秋光らがTcが_{39KのMgB2を}発見しました。これに続いて、2006年には細野らが _{Tcが56Kの鉄系層状}オキシプニクチド化合物を発見しました。^{[ 20 ]}これらの温度は銅酸化物より低いですが、従来の超伝導体よりははるかに高いです。^{[ 21 ]}

2014年、ローザンヌ連邦工科大学（EPFL）の科学者らは、準二次元磁性材料で分数粒子が発生する可能性があることを示す証拠を報告し^{[ 22 ]、}アンダーソンの高温超伝導理論を裏付けた^{[ 23 ]} 。 2014年と2015年には、硫化水素（H₂ S Kの高温超伝導体であることが確認されました。 ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]}

2018年、マサチューセッツ工科大学物理学科の研究チームは、冷却と小さな電荷の印加により、 1層が約1.1度の角度でねじれた二層グラフェンで超伝導を発見した。実験は高温環境で行われたわけではないが、異種原子を導入する必要がなかったため、結果は古典的な高温超伝導体との相関性が低い。^{[ 27 ]}超伝導効果は、グラフェン層間の渦にねじれた電子、いわゆる「スキルミオン」の結果として生じた。これらは単一の粒子として振る舞い、グラフェンの層をまたいでペアになることができ、超伝導に必要な基本的な条件につながる。^{[ 28 ]} 

2019年にランタン水素化物（LaH）が発見された。₁₀ ) は 170 ギガパスカルの圧力下で 250 K で超伝導体になる。 ^{[ 29 ] [ 26 ]}

 2020年、約270ギガパスカルの圧力下で水素、炭素、硫黄から作られた室温超伝導体（臨界温度288 K）がNature誌の論文で報告された。^{[ 30 ] [ 31 ]}しかし、2022年に背景減算手順の妥当性が疑問視されたため、編集者によって論文は撤回された。9人の著者全員は、生データが論文の主な主張を強く裏付けていると主張している。^{[ 32 ]}

2021年現在、^{[ 33 ]}常圧で最も高い転移温度を持つ超伝導体は、水銀、バリウム、カルシウムの銅酸化物で、約133 K (-140 °C)である。^{[ 34 ]}他の超伝導体には、記録されている転移温度がより高いものもある。例えば、ランタン超水素化物では250 K (-23 °C)であるが、これらは高圧下でのみ発生する。^{[ 35 ]}     

2023年の研究では、ほぼ平行な線欠陥が密集した高配向熱分解グラファイトにおいて、室温および常圧下での超伝導が報告された。 ^{[ 36 ]}

  超伝導体冷却剤  

「高温超伝導体」という分類には、これまで多くの定義が存在してきた。

高温超_伝導体というラベルは、液体窒素の沸点よりも高い臨界温度を持つ材料に限定されるべきである。しかし、最初の発見や最近発見されたpnictide超伝導体を含む多くの材料は、77 K (-196.2 °C)未満の臨界温度を持つにもかかわらず、出版物では一般的に高温超伝導_体クラスと呼ばれている。^{[ 44 ] [ 45 ]}    

液体窒素の沸点を超える臨界温度を持ち、かつ高い臨界磁場と臨界電流密度（超伝導が破壊される値）を持つ物質は、技術応用において大きな恩恵をもたらすだろう。磁石の応用においては、高い臨界磁場は高いT _{_c}自体よりも価値があることが証明されるかもしれない。一部の銅酸化物は、約100テスラの上限臨界磁場を持つ 。しかし、銅酸化物材料は脆いセラミックであり、製造コストが高く、ワイヤーやその他の有用な形状に容易に加工できない。さらに、高温超伝導体は、大きな連続超伝導ドメインを形成するのではなく、超伝導が発生する微小ドメインのクラスターを形成する。したがって、磁気共鳴分光計の磁石など、実際の超伝導電流を必要とする用途には適さない。^{[ 46 ]}この解決策（粉末）については、HTSワイヤーを参照のこと。

YBCO ^{[ 47 ]}鉄系超伝導体、いくつかのルテノクプラート、その他のエキゾチックな超伝導体において、高温超伝導と磁気秩序が共存することについてはかなりの議論があり、他の材料ファミリーの探索が続けられています。HTSはタイプII超伝導体であり、量子化された磁束単位で磁場が内部に浸透することを許容するため、超伝導を抑制するにははるかに高い磁場が必要となります。層状構造は、磁場応答に方向依存性も与えます。

既知の高温_超伝導体はすべてII型超伝導体です。マイスナー効果によって磁場を完全に排除するI型超伝導体とは対照的に、II型超伝導体は量子化された磁束単位で磁場が内部に侵入することを許容し、超伝導体内部に渦と呼ばれる通常の金属領域の「穴」または「管」を形成します。その結果、高温超_伝導体ははるかに高い磁場に耐えることができます。

銅酸化物

銅酸化物超伝導体は、銅酸化物（CuO）の層からなる高温超伝導材料の一種である。₂）電荷貯蔵庫として機能する他の金属酸化物の層と交互に積層されている。常圧下では、銅酸化物超伝導体は既知の超伝導体の中で最も高温になる。

銅酸化物は、二次元物質に近い構造を持つ。その超伝導特性は、弱く結合した酸化銅（CuO）中を移動する電子によって決定される。₂ ) 層。隣接する層には、ランタン、バリウム、ストロンチウムのイオン、または構造を安定化させ、銅酸化物層に電子または正孔をドープする他の原子が含まれています。ドープされていない「親」または「母」化合物は、十分に低い温度で長距離反強磁性秩序を持つモット絶縁体バンドモデルで電子特性を記述するのに十分であると考えられています。

銅酸化物超伝導体はペロブスカイト構造をとる。銅酸化物面は市松模様の格子状になっており、各正方形の中心にCu²⁺イオンがあり、その正方形はO²⁻イオンで構成されている。^単位格子はこれらの正方形から45°回転している。超伝導材料の化学式には、超伝導に必要なドーピング量を表す分数が含まれる。

銅酸化物超伝導体にはいくつかの種類が確認されている。これらは、構成元素と各超伝導ブロック内の隣接する酸化銅層の数によって分類できる。例えば、YBCOとBSCCOは、各超伝導ブロック内の層数（ n ）に応じて、Y123とBi2201/Bi2212/Bi2223と表記される。超伝導転移温度は、最適なドーピング値（ p =0.16）と各ブロック内の最適な層数（通常は3層）でピークに達する。

銅酸化物超伝導のメカニズムについては、依然として多くの議論と研究が続けられている。ドーピングされていない材料の低温状態と、ドーピングによって現れる超伝導状態（主にCu ^{2+イオンの}d _{x ² −y ²}軌道状態）との類似性は、銅酸化物では電子-電子相互作用が電子-フォノン相互作用よりも重要であることを示唆しており、超伝導が非従来型であることを示している。フェルミ面に関する最近の研究では、反強磁性ブリルアンゾーンの4つの点でネストが発生し、スピン波が存在し、これらの点で超伝導エネルギーギャップが大きくなることが示されている。ほとんどの銅酸化物で観測される弱い同位体効果は、BCS理論でよく説明される従来の超伝導体とは対照的である。 

鉄ベース

鉄系超伝導体は、鉄と、ヒ素やリンなどのプニクトゲン、カルコゲン、またはクリスタロゲンの層から構成されています。これは現在、銅酸化物に次いで2番目に高い臨界温度を持つファミリーです。その超伝導特性への関心は、2006年にLaFePOで4 K（-269.15 °C）での超伝導が発見されたことから始まり^{[ 50 ]}、2008年には類似物質LaFeAs(O,F) ^{[ 51 ]}が圧力下で最大43 K（-230.2 °C）まで超伝導することが発見されたことで、さらに大きな注目を集めました。^{[ 52 ]} 鉄系超伝導体ファミリーの中で最も高い臨界温度は FeSe の薄膜に存在し、^{[ 53 ] [ 54 ] [ 55 ]} 2014 年に100 K (-173 °C)を超える臨界温度が報告された。^{[ 56 ]}        

最初の発見以来、鉄をベースとした超伝導体のいくつかのファミリーが登場した。

• LnFeAs(O,F)またはLnFeAsO _1−x (Ln=ランタニド)は、 T _cが最大56 K (−217.2 °C)で、1111材料と呼ばれています。^{[ 8 ]}これらの材料のフッ化物変種がその後、同様のT _c値で発見されました。^{[ 57 ]}  
• (Ba,K)Fe ₂ As ₂および鉄-ヒ素層のペアを持つ関連材料は、122 化合物と呼ばれています。T c値は最大38 K (-235.2 °C)です。^{[ 58 ] [ 59 ]}_{これらの材料は、鉄を}コバルトに置き換えると超伝導します。  
• LiFeAsとNaFeAsはTc_が約20 K（-253.2 °C）まで上昇する。これらの材料は化学量論組成に近い状態で超伝導を示し、111化合物と呼ばれている。^{[ 60 ] [ 61 ] [ 62 ]}  
• わずかな非化学量論性またはテルルドーピングを伴うFeSe 。^{[ 63 ]}
• LaFeSiH は、その化学量論的組成においてT _cが約11 K (−262.1 °C)である。 ^{[ 64 ]}この超伝導結晶性物質には、酸化物およびフッ化物変種 LaFeSiO _xおよび LaFeSiF _xがある。^{[ 65 ] [ 66 ]}  

ほとんどのドープされていない鉄系超伝導体は、銅酸化物超伝導体と同様に、正方晶-斜方晶構造相転移を示し、低温で磁気秩序が現れる。^{[ 67 ]}しかし、それらはモット絶縁体ではなく貧弱な金属であり、フェルミ面には1つではなく5つのバンドがある。 ^{[ 49 ]} 鉄ヒ素層にドープすると現れる相図は、超伝導相が磁気相に近いか重なり合っており、非常に類似している。T c 値が As–Fe–As 結合角によって変化するという強い証拠がすでに現れており、最適なT _{c値は歪みのない FeAs 4}四面体で得られることが示されている。^{[ 68 ]}ペアリング波動関数の対称性については依然として広く議論されているが、拡張されたs波シナリオが現在支持されている。

液体窒素は、現場でも比較的安価に製造できます。高温であることで、液体ヘリウムの温度で発生する問題、例えば極低温配管を塞いで予期せぬ危険な圧力上昇を引き起こす可能性のある凍結空気の栓の形成などを回避するのに役立ちます。^{[ 79 ] [ 80 ]}

高温超伝導体において超伝導現象がどのように生じるのかという問題は、理論凝縮系物理学における主要な未解決問題の一つである。これらの結晶中の電子が対を形成するメカニズムは未だ解明されていない。集中的な研究と多くの有望な手がかりにもかかわらず、科学者たちは未だにその解明に至っていない。その理由の一つは、対象となる物質が一般的に非常に複雑な多層構造の結晶（例えばBSCCO）であるため、理論的なモデル化が困難であることにある。

サンプルの品質と多様性を向上させることは、既存の化合物の物理的特性をより詳細に特徴付けることを目的とした研究と、T _{c の}増加を期待して新しい材料を合成することの両方において、かなりの研究を生み出します。技術研究は、HTS 材料を経済的に実行可能な量で製造すること^{[ 81 ]}と、用途に関連してその特性を最適化すること^{[ 82 ]}に焦点を当てています。

2026年3月、ヒューストン大学の研究者らは、常圧下で臨界温度が約151 Kの超伝導材料を報告した。^{[ 83 ]}この新記録は、持続的な高圧条件なしで「圧力急冷」技術を用いて達成された。これは、以前の常圧下での記録である133 Kを上回った。

HTSを説明するために、複数の仮説が立てられている。

YBCOにおけるD対称性

YBa ₂ Cu ₃ O ₇ (YBCO)の 3 つの結晶粒リングの磁束量子化に基づく実験が、高温超伝導体の秩序パラメーターの対称性を検証するために提案された。秩序パラメーターの対称性は、クーパー対がジョセフソン接合または弱いリンクをトンネルする接合界面で最もよく調べられる。^{[ 91 ]}半整数磁束、すなわち自発磁化は、d対称超伝導体の接合でのみ発生すると予想された。しかし、接合実験が高温超伝導体の秩序パラメーターの対称性を決定する最も強力な方法であるとしても、結果は曖昧であった。John R. Kirtleyと CC Tsuei は、曖昧な結果は高温超伝導体内部の欠陥に起因すると考え、クリーン限界 (欠陥なし) とダーティ限界 (最大欠陥) の両方を同時に考慮する実験を行った。^{[ 92 ]} YBCOでは自発磁化が明確に観測され、YBCOの秩序パラメータのd対称性が支持された。しかし、YBCOは斜方晶であるため、本質的にs対称性が混在している可能性がある。彼らは技術を調整することで、 YBCOに約3%のs対称性が混在していることを発見した。 ^{[ 93 ]}_{また、正方晶Tl 2} Ba ₂ CuO _{6では純粋な}d _{x ² −y ²}秩序パラメータ対称性を発見した。^{[ 94 ]}

高温超伝導体である_銅酸化物の例としては、YBCOとBSCCOがあり、これらは液体窒素の沸点を超える温度で超伝導を実現する最もよく知られた物質である。

• フラックスポンピング– 超伝導体を磁化するプロセス 
• 巨視的量子現象– 量子的な振る舞いを示す巨視的なプロセス 
• 混合伝導
• SQUID – 磁力計の一種 
• 超伝導線– 抵抗がゼロの電線 
• 超伝導体の分類– さまざまな種類の超伝導体 
• スーパーストライプ– 超伝導または超流動秩序の発生を促進する対称性の破れた相 
• 超伝導の技術的応用

• 「HTSCの上に浮かぶ磁石の動画」。YouTube 。 2006年7月31日。2021年12月11日にオリジナルからアーカイブされました。
• 「高温超伝導技術」。 2008年3月25日時点のオリジナルからアーカイブ済み。
• 銅酸化物における高温超伝導。シュプリンガー。2002年。ISBN 1-4020-0810-4。
• Choi, Charles Q. (2008年6月1日). 「新しいLaOFeAs HTS」 . Scientific American . 2022年11月2日取得.
• Kordyuk, AA (2015). "ARPES実験による擬ギャップ：銅酸化物とトポロジカル超伝導における3つのギャップ（レビュー論文）". Low Temperature Physics (Review). 41 (5): 319– 341. arXiv : 1501.04154 . Bibcode : 2015LTP....41..319K . doi : 10.1063/1.4919371 . S2CID 56392827 . 
• サービス、ロバート F. 「ダイヤモンドを少し粉砕することで、実用的な室温超伝導が現実に近づく可能性がある」。サイエンス。AAAS 。