抵抗がなく電気を通すことが出来る超伝導体は、現代においてMRIやリニアモーターカー等に用いられる、不可欠の技術だ。だが、超伝導体は1世紀以上にわたって研究されているが、既知の超伝導材料はすべて超低温でしか機能せず、その冷却のためにも多くのエネルギーが必要になるなど、不便なものだ。室温レベルで機能するものも過去にはあったが、それは極めて高い圧力で、素材自体が破砕寸前になるレベルでしか超伝導を示さない実用性のないものだった。
もし室温レベルで機能する超伝導体が発見されれば、我々の生活は一変するとされている。より高速な電子機器や、より効率的な送電網など、その価値は計り知れない。そんな、実用レベルの圧力下で室温超伝導体としての特徴を示す物質を、ニューヨークのロチェスター大学の研究者たちが発見したとして、科学誌『Nature』に報告している。
水素・窒素・ルテチウムからなる物質が室温と室圧付近で超伝導を示す
ラスベガスで開催されたアメリカ物理学会の3月年次総会で、ロチェスター大学の物理学者Ranga Dias氏は、彼と彼のチームが、この分野の100年来の夢である、室温と室圧付近で動作する超伝導体を実現したことを発表した。彼らは、水素、窒素、希土類金属ルテチウムからなる固体という従来の導体を、電気を完璧な効率で伝えられる完璧な物質に変化させることができたと報告している。
ただし、彼らの報告については疑念を呈するものも多く、慎重に見る意見も根強い。それは、このチームが2020年にNature誌に提出し、後に撤回された室温超伝導体発見に関わる事件があるからだ。
フロリダ大学の物理学者で、この研究には参加していないJames Hamlin氏は、「もしこれが正しいとわかれば、超伝導の歴史上最大のブレークスルーになるかもしれない」とQuanta Magazine誌に述べている。「もしそれが本当なら、地球を揺るがすような、画期的な、非常にエキサイティングな発見だ」と彼は言った。「しかし以前の研究で解決されなかった同じ問題のいくつかが、新しい研究にも存在するのではないかと疑わないわけにはいきません」とも、Hamlin氏は述べている。
超伝導の発現には、電子が互いに協力し合い、クーパー対と呼ばれる電子対を形成することが必要だ。クーパー対の形成を促すものの1つに、電子が関連する原子核の高周波振動（フォノンと呼ばれる）がある。この振動は、軽い原子核ほど起こりやすく、水素は最も軽い原子核だ。そのため、化学物質の中に水素をたくさん入れることが、より高温の超伝導体を作るための有力な方法と考えられている。
しかし、その最も確実な方法は、超高圧をかけることだ。この圧力によって、水素は金属の結晶構造に入り込んだり、低圧では不安定な水素を多く含む化学物質を形成したりする。この2つの方法によって、超伝導を実現するための最高臨界温度が非常に高い化学物質が誕生した。しかし、これらは室温に近づく一方で、必要な圧力は数ギガパスカル（1ギガパスカルは海面大気圧の約1万倍）である。
要するに、実用的でない温度と実用的でない圧力を交換することになるのだ。
しかし、これらの化学物質を使って、このような水素リッチな超伝導を生み出す一般的な原理を特定し、それをもとに、より簡単に維持できる条件で同様の挙動を示す他の化学物質を特定することができればと考えた。
今回の論文では、そのことが明らかにされている。研究チームは、ルテチウムという希土類元素の電子軌道を占有することで、クーパー対の形成に関与する可能性のある電子が数個増え、超伝導が容易になる可能性があるという事実に基づいて、ルテチウムに注目した。また、微量の窒素を添加することで、化学物質が安定化し、必要な圧力が下がる可能性があるため、ドーピングを行った。
今回報告された超伝導体は、水素に窒素とルテチウムを混ぜたものであることが、Dias教授らの研究により3月8日付の『Nature』で報告された。試料を作るには、ルテチウムの薄膜に、99％の水素と1％の窒素からなる混合ガスを送り、200℃で数日間焼成する。その後、ダイヤモンドアンビルセルと呼ばれる装置を使って、2ギガパスカルの圧力で試料を圧縮する。
測定する前から、ルテチウムと窒素と水素の混合物に何かが起こっていることは明らかだった。常温では、2つのガスを加えるとルテチウムは青くなり、水素が金属に浸透したためと思われる。しかし、圧力を数千気圧まで上げると、混合物は劇的なピンク色に変化し、これは混合物が金属になることに関連していることが判明した。さらに圧力を3万倍以上まで上げると、金属的な性質が失われ、より深い赤色に変化した。
「とても鮮やかな赤でした」と、Dias氏は声明の中で振り返っている。「この強度の色を見たときは衝撃的でした。私たちは、この状態の物質のコードネームとして、2009年の人気映画『スタートレック』でスポックが作った物質にちなんで『reddmatter』という名前をユーモラスに提案しました」
294ケルビン（摂氏約21度、華氏約70度）の高温になると、この物質は電気抵抗を失ったように見えた。その後、アンビルを徐々に緩めながら、超電導特性を調べる。Dias氏によると、数百個のサンプルのうち、1ギガパスカル（地球大気の約1万倍）程度まで圧力を下げた後でも、数十個のサンプルで超伝導を観察することができたという。これは室温付近で動作する超伝導体に通常必要とされる数百万気圧の圧力よりもはるかに低い圧力である。もしこのことが確認されれば、この材料は現実の世界での応用が大いに期待できる。
超伝導の特徴である3つの指標をクリア
超伝導を実証するために、研究チームは教科書に載っている3つの指標をクリアした。臨界温度では、抵抗値が低下し、材料が温まりやすいかどうかに関係する特性がピークに達することが確認された。この現象は、マイスナー効果と呼ばれる超伝導を示す明確なサインであり、超水素化合物ではこれまで説得力を持って実証されたことがなかった。また、不思議なことに、試料は相変化と同期して青、ピンク、赤と色を変化させた。
超伝導は、大気圧の3,000倍から30,000倍までの全領域で可能だった。そこで研究者たちは、この圧力範囲から、最も高い臨界温度を支える圧力を探した。その結果、約10,000倍の圧力がピークであることが判明した。
この温度は294K（摂氏約21℃・華氏70℃）であり、これは私たちの多くが知る限り、室温である。
超伝導は材料の磁気特性も変化させるので、論文の大部分は試料の磁気特性を測定するための議論に費やされている。試料がいかに小さいか、また、試料を高圧で粉砕するために必要なすべての機器に挟まれていることを考えると、これを行うのは容易なことではない。
また、この物質が何であるかを解明するために、多くの作業が行われた。水素と窒素が金属に取り込まれているのはほぼ間違いないが、その量は不明で、2つのガスの過剰分は単に試料から排除される可能性がある。研究者たちは、この物質の結晶構造解析を試みたが、その結果はやや曖昧であった。水素（原子量1）の信号は、ルテチウム（原子量175）の信号に押し流されており、水素が材料内で移動している可能性があるという。
そのため、材料中の水素が存在しそうな場所を特定することはできても、実際にその場所のいくつが占有されていたかは不明だ。このため、この材料の挙動からより大きな原理を抽出するのは難しいだろう。
過去の事件から懐疑的な見方も
しかし、この研究は期待と同時に、懐疑的な見方も多い。その理由の1つは、研究チームの以前の発表にまつわる事件だ。2020年に同チームは摂氏約 14 度 (華氏 57.2 度) および 267 ギガパスカルで炭素、硫黄、水素の化合物（CSH)で超伝導を発見したとして論文をNature誌に発表していた。だが一握りの専門家が、磁場に対する材料の応答を検証するために使用されたデータに異常なパターンを発見し、Nature誌の編集者は、研究者のデータ処理に不正があり、信頼性がないとして昨年9月に論文を撤回していたのだ。
複数の専門家が、そうした経緯を踏まえて、Dias氏のグループが発表した新しい結果に対する信頼性の欠如を表明している。
カリフォルニア大学サンディエゴ校の物理学者Jorge Hirsch氏は、「額面通りに受け取れば、ここには超伝導を証明する多くの証拠がある。しかし、私はこれらの著者の言うことは一切信じていない。全く納得していないのです」
だが、期待の声も聞かれる。「私は、この結果を見るのが本当に楽しみです」と、ケンブリッジ大学の物理学者で、今回の研究には関与していないSiddharth Saxena氏はQuanta Magazine誌に述べている。ロチェスターのグループとしばしば連絡を取り合っているが、今回の研究には参加していない Eva Zurek氏は、このような条件で超伝導を起こす材料は、「我々の生活のあらゆる面に、想像もつかないような影響を与えるだろう」と述べた。Hamlin氏も、このデモンストレーションに同意している。「この材料で見たいあらゆる種類の測定が、まさに見たいタイプのデータを生み出す力作である」
再現は知財権がからみ困難となるか？
最終的に、より多くの研究者に受け入れられるかどうかは、他の研究所が同様の結果を再現できるかにかかっている。
CSHの超伝導を確認するために必要な、非常に高いダイヤモンドアンビル圧で作業できるグループは世界でもほんの一握りだが、ルテチウムベースの材料の低圧領域で作業できるラボは世界中に多くある。Dias氏は、ここ数カ月、彼の研究室では、ダイヤモンドアンビルセルをプロセスから完全に取り除く方法を研究しており、この発見を確認するための努力をさらに加速することができると述べている。
しかし、Dias氏と共同研究者のAshkan Salamat氏は「Unearthly Materials」という会社を設立し、研究を利益に変えようとしている。Dias氏によれば、既にSpotifyやOpenAIのCEOを含む投資家から、2,000万ドル以上の資金を調達しているとのことだ。また、彼らは最近、水素化ルテチウムの材料に関する特許を申請しており、この素材の正確なレシピを共有するためには知的財産の問題を解決する必要がある。Dias氏は、「私たちは、サンプルの作り方について、明確で詳細な説明書を持っています。私たちは、私たちのプロセスの独自性と存在する知的財産権を考慮し、この材料を配布するつもりはありません」と、述べている。
「知的財産法に触れることなく、私たちが行ったことを喜んで共有します。いくつかの制限もありますが、何とかなると思います」と、Dias氏は述べている。
［2023年3月12日3:00追記］ 中国と米国の研究グループによって、追試の結果ロチェスター大学の研究チームが主張している「室温・室圧に近い圧力での超伝導」の再現が出来なかった事が報告されている。ロチェスター大学の研究チームがサンプルの製造方法を明らかにしていない中での追試と言うことで、限定的な物ではあるが、早速疑義を呈する物であり、今後の様々な追試が行われる中で、真実が明らかになることだろう。
論文
参考文献
- Rochester University: Viable superconducting material created in Rochester lab
- Science News: Is this the superconductor of scientists’ dreams? A new claim faces scrutiny
- Quanta Magazine: Room-Temperature Superconductor Discovery Meets With Resistance
研究の要旨
超伝導物質が示す電気抵抗のない状態は、常温常圧の条件下で存在すれば、非常に大きな応用の可能性を持っている。数十年にわたる熱心な研究努力にもかかわらず、そのような状態はまだ実現されていない。常圧では、銅酸化物は最高臨界超伝導転移温度（Tc）である約133Kまで超伝導を示す物質群である。過去10年間、水素を主成分とする合金の高圧「化学的予備圧縮」が高温超伝導の探索を主導し、メガバール圧力で二元水素化物の水の凝固点に近いTcを実証した。炭素質硫黄水素化物などの3元系水素化合物は、超伝導水素化物の特性を向上させる可能性のある、さらに大きな化学空間を提供する。ここでは、10kbarで294Kの最大Tcを持つ窒素ドープルテチウム水素化物について、超伝導の証拠を報告する（つまり、室温と常圧付近で超伝導を示す）。この化合物は、高圧高温条件下で合成され、その後、完全に回収された後、圧縮経路に沿って材料と超伝導特性が調べられた。具体的には、磁場印加時および非印加時の温度依存性抵抗、磁化（M）-磁場（H）曲線、交流および直流磁化率、熱容量測定などを行った。X線回折（XRD）、エネルギー分散型X線（EDX）、理論シミュレーションにより、合成された材料の化学量論についてある程度の知見が得られた。しかし、この材料の超伝導状態をさらに理解するためには、水素と窒素の正確な化学量論とそれぞれの原子的位置を決定するために、さらなる実験とシミュレーションが必要である。
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