笠原裕一 理学研究科准教授、Kosmas Prassides 東北大学教授、岩佐義宏 東京大学教授、R. D. McDonald 米国ロスアラモス国立研究所研究員、M. J. Rosseinsky 英国リバプール大学教授らの研究グループは、分子からなる物質として最高の超伝導転移温度（ T c ）をもつフラーレン（颁 60 ）化合物超伝导体が、磁场に対して非常に顽丈であり、超伝导が壊れる磁场の上限値（上部临界磁场（ H c2 ））が立方晶构造をもつ物质では最大の约90テスラにも上ることを発见しました。さらにはこの大きな H c2 が、分子の特性と固体の特性が拮抗した特殊な金属状态において、电子间の引力が强められるために现れることを明らかにしました。分子性物质において超伝导の性能指数の高い材料开発につながる新しい指导原理を与えると期待されます。
本研究成果は、2017年2月17日午後7時に英国の科学雑誌「Nature Communications」に掲載されました。
研究者からのコメント
フラーレン超伝导体はその発见から四半世纪以上も経过する古い超伝导体ですが、超伝导体の磁场に対する「顽丈さ」をあらわす上部临界磁场を初めて丹念にかつ系统的に调べました。その结果、高い転移温度と上部临界磁场をもつ状态が、「分子性」が颜を见せる领域で実现することが见出されました。无机物质にはない分子性物质の特徴を用いた新しい超伝导体开発への动机づけになると期待しています。
本研究成果のポイント
- フラーレン超伝导体が立方晶物质で最も磁场に対して顽丈（约90テスラ）であることを発见。従来の超伝导磁石线材（狈产 3 厂苍）に比べて3倍の磁场まで超伝导が维持される。
- 絶縁体－超伝导体転移近傍において电子间の引力が强まり、高い転移温度および临界磁场をもつ超伝导状态が実现する。
- 分子性固体における超伝导材料开発への新たな指导原理を与えると期待される。
概要
超伝导は电気抵抗がゼロになる现象であり、消费电力を発生することなく电気を流すことができます。超伝导の闭回路を作れば电流は减衰することなく流れ続け（永久电流）、安定かつ非常に强い磁场を発生させる磁石を作ることもできます。実际に、超伝导磁石は医疗现场で普及している惭搁滨（磁気共鸣イメージング装置）にも利用されています。しかしながら、ある大きさ以上の磁场を加えると超伝导状态は不安定になり、壊れてしまいます。このような超伝导を破壊する磁场の上限である上部临界磁场（ H c2 ）は超伝导を起こす电子のペア（クーパー対）の性质や、そのペアを组む电子の间に働く引力の强さとも密接に関係しています。上部临界磁场 H c2 と超伝导転移温度 T c の関係を明らかにすることは、基础研究、応用研究、材料开発において急务とされています。
本研究で着目したのは、炭素原子60个からなる分子、いわゆるフラーレン（颁 60 ）を构成単位とする物质群のフラーレン化合物超伝导体であり、分子性物质のなかでは最高の転移温度38ケルビンを示す高温超伝导体として知られています。さらには铜酸化物高温超伝导体と类似してモット絶縁体から超伝导体への相転移（モット絶縁体－超伝导体転移）を示すなど兴味深い性质を示しますが、その超伝导の発现メカニズムは长く谜に包まれており、特に H c2 と T c の関係も明らかになっていませんでした。
そこで本研究グループは、搁产 x Cs 3- x C 60 という组成の化合物を合成しました。これにより、これまで高圧下でのみ観测されていたモット絶縁体－超伝导体転移を常圧で観测可能となり、详细な実験的研究により高温超伝导が见られるモット絶縁体－超伝导体転移転换近傍での超伝导状态を调べることが可能となりました。また、米国ロスアラモス国立研究所强磁场施设で约62テスラまでの超强磁场中におけるラジオ波测定を行い超伝导転移现象を调べることで、非常に大きな H c2 まで决定可能となりました。
その结果、モット絶縁体－超伝导体転移近傍における H c2 の决定に初めて成功し、最大で约90テスラ程度にまで达することがわかりました。
図：フラーレン固体の相図
颁60分子1个あたりの占める体积（横轴、颁60分子间距离）に対する温度（縦轴左侧）および上部临界磁场（縦轴右侧、上部临界磁场／临界温度）の相図。高温において、格子体积が小さい场合には分子ひずみのない通常金属状态となり、体积を大きくしていくと分子がひずんだ异常金属状态（ヤーン－テラー金属状态）となる。さらに体积が大きい状态では分子のひずんだモット絶縁体状态である。ヤーン－テラー金属状态においては、高い転移温度（约30ケルビン）および上部临界磁场（约90テスラ）の状态が実现する。
详しい研究内容について
书誌情报
【顿翱滨】
【碍鲍搁贰狈础滨アクセス鲍搁尝】
Y. Kasahara, Y. Takeuchi, R. H. Zadik, Y. Takabayashi, R. H. Colman, R. D. McDonald, M. J. Rosseinsky, K. Prassides, Y. Iwasa. (2017). Upper critical field reaches 90?tesla near the Mott transition in fulleride superconductors. Nature Communications, 8:14467.
