ナノテク情報

物性・原理

ほぼ室温超伝導を示す高圧下ランタン水素は量子固体だった ~予測より低い圧力で超伝導になる理由を理論的に説明 低圧での室温超伝導実現へ道筋~

 国立研究開発法人物質・材料研究機構(NIMS),東北大学,東京大学,及び国立研究開発法人理化学研究所(理研)は2020年2月6日,NIMS磁性・スピントロニクス材料研究拠点の只野 央将研究員と東北大学・東京大学・理研・バスク大学・マックスプランク研究所・ソルボンヌ大学・ローマラサピエンツァ大学で構成される国際研究チームが,温度-23℃というほぼ室温で超伝導になる高圧下ランタン水素(LaH10)が,原子核の量子ゆらぎのおかげで広い圧力域で安定に存在する「量子固体」であることをコンピュータシミュレーションにより発見したと発表した.本研究の一部は,独立行政法人日本学術振興会科学研究費助成事業の支援を受けて実施された.本成果は英国の総合学術雑誌Natureにオンライン掲載された(注).

 超伝導物質はゼロ抵抗でエネルギー損失の無い送電が可能であり,環境エネルギー問題解決のカギとして注目されている.特に室温超伝導の実現は人類の長らくの夢であり,近年,硫化水素SH3が-70℃で,LaH10が130~220GPaの高圧力下で絶対温度250K(-23℃)というほぼ室温で超伝導化することが報告された.高い温度で超伝導を実現する立方晶構造のLaH10は130~220GPaの広い圧力域で安定に存在している.しかし,これまでの理論計算はこの構造を安定化するには230GPa以上の高圧が必要であると予測していた.なぜ理論予測より100GPaも低い圧力で立方晶構造が安定なのか,その理由に注目が集まっていた.

 本研究チームは,これまでの理論計算で無視されていた原子核の量子ゆらぎに注目し,この効果を取り入れたコンピュータシミュレーションを行なった.水素原子核のように質量が軽い場合は量子ゆらぎが大きくなるため,その効果を取り入れた.その結果,高圧下LaH10において水素原子核の量子ゆらぎが極めて大きいこと,そして立方晶LaH10(H原子が作る対称性の高いカゴの中にLa原子が内包されている)が量子ゆらぎ効果によって広い圧力域で安定な「量子固体」状態であることを明らかにした.量子固体は,量子ゆらぎ効果が大きな固体のことで,固体ヘリウムはその代表例である.又,この計算によって130~220GPa,~220Kにおいて超伝導化することを示し,実験で得られた超伝導転移温度の圧力依存性を再現できた.

 原子核の量子ゆらぎは,多くの物質で見られる普遍的な現象である.現在,高圧下LaH10の超伝導転移温度をさらに塗り替える,別の水素リッチ化合物の発見が期待されている.今回の発見は,水素を多く含んだ水素リッチ化合物による高温超伝導やさらには室温超伝導がこれまで考えられていたよりも遙かに低い圧力で実現できる可能性を示している.量子ゆらぎ効果を考慮する本研究のシミュレーション手法を用いることで,そのような候補物質の組成・構造の理論予測がより高い精度で可能になる.今後は適用対象を広げ,室温超伝導物質の理論予測を目指す,としている.

(注)Ion Errea, Francesco Belli, Lorenzo Monacelli, Antonio Sanna, Takashi Koretsune, Terumasa Tadano, Raffaello Bianco, Matteo Calandra, Ryotaro Arita, Francesco Mauri, and José A. Flores-Livas, "Quantum crystal structure in the 250-kelvin superconducting lanthanum hydride", Nature, Vol. 578, pp. 66-69 (2020), DOI: 10.1038/s41586-020-1955-z; Published: 05 February 2020