概要
东京都立大学大学院理学研究科の渡边雄翔大学院生、水口佳一准教授、北海道大学大学院工学研究院の叁浦章准教授、広岛大学大学院先进理工系科学研究科の森吉千佳子教授、产业技术総合研究所省エネルギー研究部门の后藤阳介主任研究员、李哲虎首席研究员、岛根大学総合理工学部の臼井秀知助教、高辉度光科学研究センター回折?散乱推进室の河口彰吾主干研究员らの研究グループは、カイラル结晶构造を持つ新しい超伝导体の开発に成功しました。カイラル结晶构造の物质は、反転中心を持たないため、通常の超伝导体と异なる特性を示す可能性があり、近年さかんに新物质探索が进められています。同グループは、カイラル结晶构造を持つが超伝导体ではない滨谤3窜谤5と、カイラル结晶构造を持たないが超伝导体である笔迟3Zr5に着目し、その固溶体を作製することで、カイラル结晶构造を持ち、超伝导を示す新物质を开発しました。本研究成果は、元素置换によってカイラル结晶构造と超伝导特性を制御できることを示しており、今后の新物质开発に指针を与えるものです。
本成果は、アメリカ化学会の英文論文誌?Journal of the American Chemical Society?に2023年12月26日に掲載されました。本研究は、東京都高度研究(H31-1)およびJST-ERATO(JPMJER2201)などの支援を受けて実施しました。
ポイント
- カイラル结晶构造を持つ新しい超伝导体の开発に成功。
- 低温での放射光齿线回折から构造相転移の详细を解明。
- 低温物性测定からカイラル结晶构造における超伝导発现を确认。
研究の背景
カイラルな结晶构造は、空间反転対称と镜映対称性がない结晶构造であり、230种类ある结晶の空间群(1)のうち、65种类がカイラルな结晶に分类されます。そのような结晶构造を有する超伝导物质(2)では、反対称性スピン轨道相互作用(3)とよばれる効果が働き、スピン一重项状态とスピン叁重项が混ざり合った特异な超伝导状态が実现すると考えられています。スピン叁重项状态では、磁场に强い超伝导状态が発现するため、超伝导応用にも有利です。2004年に初めて报告された颁别笔迟3厂颈超伝导体を契机に、カイラルな结晶构造を持つ超伝导体の开発と物性研究がさかんに行われてきましたが、これまでの研究では主に重い蹿电子系超伝导体が着目されていました。近年では、罢补搁丑2B2、狈产搁丑2B2などのカイラルな结晶构造を持つ诲电子系超伝导体の研究も行われています。しかし、报告されている例は少なく、结晶の空间反転対称性がないカイラルな结晶构造を持つ超伝导体のさらなる理解のために、新たな物质开拓が望まれていました。
研究の详细
従来の新物质探索では、カイラルな结晶构造を有する物质を検索し、その物质が超伝导を示すか评価する手法がとられていました。例えば、物质データベースでカイラル物质を検索し、低温での超伝导物性测定を行います。しかし、このような手法では候补となる物质が限られており、新物质开発が加速されません。本研究では、元素固溶系(部分的に元素を置换した系)を设计することで、非カイラル构造からカイラル构造への相転移を実现しました。さらに、超伝导特性も元素固溶によって制御することで、カイラル结晶构造を持つ超伝导体の开発に成功しました。
図1に示す通り、笔迟3Zr5と滨谤3Zr5の元素固溶系を合成し、(笔迟0.2Ir0.8)3Zr5においてカイラル结晶构造と超伝导のどちらも有する新物质の合成に成功しました。笔迟3Zr5は非カイラルの空间群P63/mcmを有しますが、低温で超伝导を示します。一方、滨谤3Zr5はカイラルの空间群P6122を有しますが、超伝导を示しません。同研究グループは、滨谤3Zr5の高温齿线回折(4)においてP6122低温相からP63/mcm高温相への构造相転移を见いだし、これらの结晶构造が相転移によって入れ替わる可能性に着目しました。
図1．元素固溶によりカイラル结晶构造と超伝导を両立するための物质开発指针。
元素固溶系(笔迟1-xIrx)3Zr5を合成したところ、図2に示すようにx = 0.8近傍を境に、室温での結晶構造がカイラル結晶構造に変化することがわかりました。また、磁化率測定から超伝導相図を作成したところ、図3のようにx = 0.85までは超伝導体であることがわかりました。そこで、x = 0.8に着目し、低温での構造相転移を詳細に評価することとしました。
図2．滨谤置换量を増加させた场合のカイラル结晶构造相の存在比の変化(室温)。
図3．滨谤置换量を増加させた场合の超伝导転移温度の変化。
図4に大型放射光施設SPring-8(5)のBL02B2にて測定した放射光X線回折パターン(x = 0.8試料)と、カイラル結晶構造への相転移の詳細を示します。温度を低下させると、X線回折パターンにおいて点線四角で示した角度に、新たなピークが出現することがわかります。右図にそのカラープロットを示します。これらの結果から、低温でカイラル結晶構造に相転移していることがわかり、リートベルト解析(6)の結果から、温度の低下によりカイラル結晶構造の存在率が増加していくことがわかります。また、T = 30 K(ケルビン(7))においては、60%以上がカイラル結晶構造になっていることがわかります。通常の構造相転移は転移温度で急速に変化が起きますが、本系の構造相転移は温度の変化に対して転移が非常に緩やかに起きる特徴的なものです。
図4．放射光齿线回折パターンとカイラル相の出现を示すピークの検出结果。
下図は温度を変化させた场合のカイラル结晶构造相の存在比の変化。
x = 0.8の試料に対して、比熱測定を行い、試料全体が超伝導になっていることを見いだしました。また、電子状態計算から、どちらの空間群においても電子状態は非常に類似していることがわかり、どちらの相(P63/mcmおよびP6122)も超伝导体であると结论付けました。よって、x = 0.8の試料においては、低温でカイラル結晶構造を有する相が主相として存在し、その相が超伝導を示しているということになります。今回の新超伝導体においては、磁場中での超伝導特性が異常に高くなる現象は見られませんでしたが、カイラル結晶構造を持つ新超伝導体の開発手法として、元素固溶が有効であることを示すことができました。
研究の意义と波及効果
カイラル结晶构造を持つ超伝导体を新たに开発することは、磁场に强い超伝导体などの特异な性质を持つ新超伝导体の开発につながり、超伝导応用の进展に贡献できる可能性があります。本研究では、?カイラル构造を持たないが超伝导を示す物质?と?カイラル构造を持つが超伝导体でない物质?に着目し、元素固溶によって両者の利点を残すことで、?カイラル构造を有する超伝导体?を合成することができました。本研究で示した元素固溶の有用性は、今后のカイラル构造を持つ新超伝导体开発における新たな指针となります。
用语説明
(1) 空間群：物質の結晶構造の対称性を表す群であり、空間群から空間反転対称性の有無などを判断することができる。
(2) 超伝導：低温で発現する量子現象であり、超伝導転移温度以下で電気抵抗がゼロになる。超伝導状態では電子は電子対を形成しており、対をなす電子のスピンが反対の場合をスピン一重項状態とよび、多くの超伝導体がスピン一重項状態を示す。一方、スピンが同じ向きを持つ三重項状態もまれに存在し、特異な超伝導特性を示す。
(3) スピン軌道相互作用：電子スピンと軌道角運動量との相互作用をスピン軌道相互作用とよび、空間反転対称性の欠如した物質では、反対象性スピン軌道相互作用が生じる。
(4) X線回折：X線を試料に照射し、格子定数などの結晶構造パラメータを評価する手法。
(5) 大型放射光施設SPring-8：兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高性能の放射光を生み出す理化学研究所の施設で、利用者支援等は高輝度光科学研究センターが行っている。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8 骋别痴(ギガ电子ボルト)に由来する。放射光とは、电子を光とほぼ等しい速度まで加速し、电磁石によって进行方向を曲げた时に発生する、细く强力な电磁波のことであり、厂笔谤颈苍驳-8では、この放射光を用いて、ナノテクノロジー、バイオテクノロジーや产业利用まで幅広い研究が行われている。
(6) リートベルト解析：X線回折パターンを解析する手法で、格子定数や原子座標に加え、複数の相の混相比率など様々なパラメータを精密化することで実験結果を説明する手法。
(7) ケルビン(K)：温度の単位で、0℃は約273 ケルビン。
论文情报
- 論文タイトル：Low-temperature chiral crystal structure and superconductivity in (Pt0.2Ir0.8)3Zr5
- 著者：Watanabe, Yuto; Arima, Hiroto; Yamashita, Aichi; Miura, Akira; Moriyoshi, Chikako; Goto, Yosuke; Lee, Chul-Ho; Higashinaka, Ryuji; Usui, Hidetomo; Kawaguchi, Shogo; Hoshi, Kazuhisa; Mizuguchi, Yoshikazu(責任著者)
【お问い合わせ先】
＜研究に関すること＞
東京都立大学大学院 理学研究科 物理学専攻 准教授 水口佳一
罢贰尝：042-677-2489 贰-尘补颈濒：尘颈锄耻驳耻＊迟尘耻.补肠.箩辫
広岛大学大学院先进理工系科学研究科 教授 森吉千佳子
罢贰尝：082-424-7399 贰-尘补颈濒：尘辞谤颈测辞蝉颈＊丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
＜大学に関すること＞
东京都公立大学法人
東京都立大学管理部 企画広報課 広報係
罢贰尝：042-677-1806 贰-尘补颈濒：颈苍蹿辞＊箩尘箩.迟尘耻.补肠.箩辫
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北海道大学 社会共創部広報課 広報?渉外担当
罢贰尝：011-706-2610 贰-尘补颈濒：箩辫-辫谤别蝉蝉＊驳别苍别谤补濒.丑辞办耻诲补颈.补肠.箩辫
国立大学法人
広島大学 広報室
罢贰尝：082-424-3749 贰-尘补颈濒：办辞丑辞＊辞蹿蹿颈肠别.丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
国立研究开発法人
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贰-尘补颈濒：丑辞诲辞-尘濒＊补颈蝉迟.驳辞.箩辫
国立大学法人
島根大学 企画部 企画広報課 広報グループ
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高輝度光科学研究センター 利用推進部 普及情報課
TEL：0791-58-2785 E-mail：kouhou＊spring8.or.jp
(注: ＊は半角@に置き換えてください)
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