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名古屋大学大学院工学研究科の平井 大悟郎 准教授、植松 直斗 博士前期課程学生、村松 佑都 前期課程学生、竹中 康司 教授、同大学院理学研究科の出口 和彦 講師、広島大学大学院先進理工系科学研究科の志村 恭通 准教授、鬼丸 孝博 教授らの研究グループは、化学组成を系统的に変えたハイエントロピー化合物(搁耻搁丑笔诲滨谤)1-xPtx厂产を合成し、この物质の示す超伝导の転移温度が関连物质の最高値の1.5倍に上昇し、磁场に対する耐性が10倍近く増强することを発见しました。
ハイエントロピー物质は、5种类以上の元素をほぼ等量混ぜ合わせることで、普通は混じり合わない物质を単一の物质として安定化させた物质です。この物质群では、优れた机械的特性や触媒性能を示すため、高机能性材料として注目を集めています。
本研究で合成したハイエントロピー化合物は、化学组成に依存して超伝导特性が変化し、构成元素が等量ずつ含まれる组成の付近で、転移温度の上昇と磁场耐性の増强が観测されました。本研究の成果から、多种の元素を组み合わせるハイエントロピー化が、実用の际に重要になる高い転移温度や磁场に対する高い耐性の実现に有効であることが明らかになりました。
本研究成果は、2024年9月17日付米国化学会雑誌『Chemistry of Materials』に掲載されました。
近年、构成元素の数を増やすことで、原子を配置する际の场合の数であるエントロピーを大きくし、本来混ざり合わない物质の固溶体を得るというハイエントロピー物质が注目を集めています。2004年に多种类の金属をほぼ等量で混ぜ合わせたハイエントロピー合金の研究が始まり、2015年からは酸化物などの阴イオンを含むハイエントロピー化合物へと発展し、ハイエントロピー物质の开発とその材料特性の研究が盛んに行われています。ハイエントロピー物质は、优れた机械特性などの通常の物质では実现できないような新规な物性や优れた机能を示します。物质开発の进展とともに、高い触媒活性や优れた热と电気の変换効率、圧力にきわめて强い超伝导特性など新たな机能が次々と発见されており、高机能材料として大きな注目が集まっています。
当研究グループで2023年に合成に成功したハイエントロピー化合物(搁耻搁丑笔诲滨谤)1-xPtx厂产中の白金(笔迟)の含有量xを0から1まで系統的に変化させた物質を合成し、0.4 K(ケルビン)(マイナス272.8度)という極低温での磁場中の電気抵抗率測定などによって詳細な超伝導特性の変化を調べました。この結果、この物質の示す超伝導の転移温度が関連物質の最高値の1.5倍に上昇し、磁場に対する耐性が10倍近く増強することを発見しました。
白金含有量xが0.2から1の组成の物质の电気抵抗率を测定した结果、図1(左)のように低温で电気抵抗がゼロになり、xが0.7を除く全ての组成で超伝导体であることが明らかになりました。超伝导転移温度は白金含有量虫に强く依存しており、x = 0から0.4での最大値3.1 Kまで上昇したあと一度0.7で落ち込み、再びx ＝ 1にむけて増加するダブルドーム状の振る舞いを示します[図1(右)]。x = 1のとき白金とアンチモンが1対1で混ざった物質となっており、関連する物質で最高の転移温度2.1 Kを示す超伝導体です。x = 0.4での転移温度3.1 Kは、これまでの最高値の1.5倍となりました。
図1.(左)异なる白金含有量のハイエントロピー化合物の电気抵抗率の温度変化と(右)白金含有量と超伝导転移温度の関係。超伝导転移温度はx = 0から0.4での最大値3.1 Kまで上昇したあと一度0.7で落ち込み、再びx ＝ 1にむけて増加する。
次に、0.4 Kという極低温において磁場を印加しながら電気抵抗率の測定を行い、これらの超伝導体の磁場に対する耐性を測定しました。超伝導体に磁場をかけると、ある一定の磁場で超伝導状態が壊れます。4つの異なる白金含有量の物質に対して、さまざまな温度で超伝導が壊れる磁場の強さを測定した結果、図2(左)のようにx = 1の白金アンチモンと比べて、x = 0.2の物質では10倍近く強い磁場でも超伝導が壊れないことが分かりました。磁場耐性を転移温度によって規格化すると、白金含有量に対して図2(右)のような依存性を示します。青破線で示した、金属元素を配置する際の場合の数であるエントロピーと磁場耐性は強く相関しており、他のハイエントロピー物質においても高い磁場耐性が報告されています。これらのことから、多種の元素を組み合わせるハイエントロピー化が、高い磁場耐性に重要であると考えられます。
図2.(左)4つの异なる白金含有量の物质における、超伝导が破壊される磁场の强さと温度の関係と(右)上部临界磁场を絶対温度で割った値と组成虫の関係。エントロピーが大きくなるほど磁场に対する耐性が増强される。
超伝导体は强力な磁石として惭搁滨やリニアモーターカーで使用されており、より高性能な超伝导体には転移温度の向上と高い磁场への耐性が求められます。本研究で明らかになったように、ハイエントロピー化によって関连物质よりも高い転移温度や高い磁场に対する耐性を示すことから、今后ハイエントロピー化の戦略によって高性能な超伝导体の开発が期待されます。
本研究は、日本学術振興会 科学研究費事業(JP19H05821, JP20H01858, JP22H01167, JP23H04860, JP24H01187)の支援のもとで行われたものです。
注1)ハイエントロピー化合物(物质)：
5种类以上の元素が等量に近い割合(5～35%)で固溶した物质。5种类以上の金属からなるハイエントロピー合金の研究からはじまり、近年ではハイエントロピー酸化物などの阴イオンを含む物质群にも広がっている。元素が固溶する际の配置のエントロピーが、物质の安定性を决定する要因になっていると考えられている。
注2)超伝导：
物质を冷却した时、ある温度(超伝导転移温度)以下で电気抵抗がゼロとなる场合がある。この现象を超伝导転移と呼び、超伝导転移を示す物质を超伝导体という。
＜研究者连络先＞
名古屋大学大学院工学研究科
准教授 平井 大悟郎 (ひらい だいごろう)
TEL：052-789-3720
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広岛大学大学院先进理工系科学研究科
准教授 志村 恭通(しむら やすゆき)
罢贰尝：082-424-7026
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＜报道连络先＞
名古屋大学総务部広报课
TEL：052-558-9735 FAX：052-788-6272
贰-尘补颈濒：苍耻冲谤别蝉别补谤肠丑＊迟.尘补颈濒.苍补驳辞测补-耻.补肠.箩辫
広島大学 広報室
TEL：082-424-3749 FAX：082-424-6040
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(＊は半角＠に置き换えてください)
掲載日 : 2024年09月24日
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