酸化パラジウムはより優れた超電導体を作る可能性がある

May 27, 2023

兵庫県立大学、ウィーン工科大学、同僚。 新しい研究はさらに、そのような2つのパラジウム酸塩が、高温超伝導体にとって重要な2つの特性、つまり相関強度と材料中の電子の空間変動の点で「実質的に最適」であることを特定した。

超伝導体は、特定の転移温度 Tc 以下に冷却すると抵抗なく電気を伝導する材料です。 最初に発見された超電導体は 1911 年に固体水銀でしたが、その転移温度は絶対零度よりわずか数度高いため、超電導状態を維持するには高価な液体ヘリウム冷却材が必要です。 知られている他のいくつかの「従来の」超電導体がその後すぐに発見されましたが、いずれも同様に低い Tc 値を持っています。

しかし、1980 年代後半から、液体窒素の沸点 (77 K) を超える Tc をもつ新しい種類の「高温」超電導体が出現しました。 これらの「型破りな」超伝導体は金属ではなく、酸化銅（銅酸化物）を含む絶縁体であり、その存在は超伝導がさらに高温でも持続する可能性があることを示唆しています。 最近、研究者らは、酸化ニッケルをベースにした材料が、銅酸化物と同様に優れた高温超伝導体であることを特定しました。

この研究の主な目標は、室温でも超電導を維持する材料を見つけることです。 このような材料は、発電機や送電線の効率を大幅に向上させると同時に、超伝導の一般的な応用（粒子加速器やMRIスキャナーなどの医療機器における超伝導磁石を含む）をよりシンプルかつ安価にするでしょう。

超伝導の古典理論 (発見者のバーディーン、クーパー、シュリーファーの頭文字をとって BCS 理論として知られています) は、水銀とほとんどの金属元素が Tc 以下で超伝導する理由を説明しています。それらのフェルミ電子が対になって、クーパー対と呼ばれるボソンを生成します。 これらのボソンは、散乱を受けない超電流として物質中を流れることができる位相コヒーレント凝縮体を形成し、その結果として超伝導が現れます。 しかし、高温超伝導体の背後にあるメカニズムを説明するには、この理論は不十分です。 実際、型破りな超伝導は、凝縮物物理学における基本的な未解決の問題です。

これらの材料をより深く理解するために、研究者は、これらの 3d 遷移金属の電子がどのように相関しており、相互にどの程度強く相互作用しているかを知る必要があります。 空間ゆらぎ効果 (これらの酸化物は通常 2 次元または薄膜材料として作られるという事実によって強化されます) も重要です。 ファインマン線図による摂動などの手法を使用してこのような変動を記述することはできますが、高温超伝導の基礎の 1 つである金属絶縁体 (モット) 転移のような相関効果を捉えることに関しては不十分です。

ここで、動的平均場理論 (DMFT) として知られるモデルが真価を発揮します。 新しい研究では、ウィーン工科大学の固体物理学者カルステン・ヘルド率いる研究者らは、DMFTのいわゆるダイアグラム拡張を使用して、いくつかのパラジウム化合物の超伝導挙動を研究した。

銅酸化物超伝導体には奇妙な成分が含まれている

この計算は、Physical Review Letters で詳しく説明されていますが、高い転移温度を達成するには、電子間の相互作用が強くなければなりませんが、強すぎてはいけないことが明らかになりました。 銅酸塩もニッケル酸塩もこの最適な中間型相互作用に近いものではありませんが、パラジウム酸塩はそれに近いものです。 「パラジウムは、周期表ではニッケルのすぐ 1 行下にあります」とヘルド氏は述べています。 「性質は似ていますが、そこにある電子は平均して原子核から、また電子同士の距離がいくらか離れているため、電子相互作用は弱くなっています。」

研究者らは、一部のパラジウム酸塩、特に RbSr2PdO3 と A'2PdO2Cl2 (A'=Ba0.5La0.5) は「実質的に最適」である一方、NdPdO2 などの他のパラジウム酸塩は相関が弱すぎることを発見しました。 「超伝導の理論的説明は新たなレベルに達しました」と兵庫県立大学の北谷元春氏は Physics World に語った。 「我々の実験仲間たちが今後これらの材料の合成に挑戦することを確信しています。」