機械工学と物理学・天文学の助教授であるランガ・ディアスが率いる新しい研究の目標は、通常の温度で作用する超伝導材料を開発することである。超伝導を達成するためには極寒の温度が必要だ。

室温で電気抵抗がなく、磁場を放出しない超伝導材料の開発は、一世紀以上も前から求められてきた、凝縮系物理学の「聖杯」である。

ロチェスター大学のエンジニアと物理学者は、単純な分子状固体を水素で超高圧に圧縮することで、室温で超伝導する物質を初めて作製することに成功した、と主張している。この研究は、雑誌『Nature』の表紙記事として取り上げられ、ロチェスター大学の物理学・機械工学の助教授であるランガ・ディアスの研究室で行われた。

新記録を樹立するにあたり、ディアス助教授と彼の研究チームは、水素と炭素と硫黄を組み合わせて、ダイヤモンドアンビルセル(超高圧下で極小量の物質を調べるために使用される研究装置)の中で、単純な有機物由来の炭素質硫黄水素化物を光化学的に合成した。炭素質硫黄水素化物は、華氏約58度、圧力約3900万psiで超伝導を示した。超伝導物質が室温で観測されたのは初めてのことだ。

「低温では限界があるため、このような驚異的な特性を持つ物質は、多くの人が想像したような形で世界を変革してきたとは言えなかった。しかし、今回の発見は、これらの障壁を打ち破り、多くの可能性のある応用への扉を開くことになるでしょう」と、同大学の材料科学および高エネルギー密度物理学プログラムに所属するディアス教授は述べている。

今回の発表は、長期間に渡る物理学者の探索の集大成である。超伝導は、1911年にオランダの物理学者ハイケ・カマーリン・オネスによって、絶対零度から4.2度(4.2K)に冷やされた水銀線の中で初めて発見された。彼らの「BCS理論」は、電子が超伝導体の中をジッピングすることで物質の構造が一時的に変形し、別の電子が抵抗なく後ろに引っ張られることを示唆していた。

1986年、2人の物理学者が、異なる材料である酸化銅セラミックで、「臨界温度」(Tc)が30Kと高くなると超電導が始まることを発見した。他のグループはすぐに関連するセラミックのレシピを考案し、1994年までに、水銀ベースの酸化銅で圧力をかけてTcを164Kまで高めた。カップレート超伝導体でも電子は対になっているが、どのようにして超伝導するのかは不明である。

1968年、コーネル大学の理論家ニール・アシュクロフトは、室温以上でBCS超伝導を示す別のタイプの物質を提案していた。数多くのグループが、ダイヤモンドアンビルセルと呼ばれる手のひらサイズの装置を使って、2つのダイヤモンドの先端の間で標的物質を巨大な圧力で押しつぶすことで、このような金属水素を作ることを主張してきた。しかし、その圧力が地球中心部の圧力を超えていることもあり、その結果には賛否両論がある。2004年、アシュクロフトは、水素を別の元素に結合させることで、より低い圧力で高温の超伝導を可能にする一種の「化学的予備圧縮」を加えることができるかもしれないと提案した。

この戦略は成功した。2015年、マックスプランク化学研究所のミハイル・エレメッツ氏率いる研究者たちは、地球の大気圧の100万倍以上の155ギガパスカル(GPa)に圧縮されたH3Sの203Kで超伝導を発見したことをNature誌に報告した。次の3年間で、エレメッツらは、ランタンを含む水素を豊富に含む化合物のTcを250Kまで高めた。しかし、圧力を解放すると、それらの化合物はすべて崩壊してしまう。

ディアスと彼の同僚は、第三の要素を追加することによって、Tcをさらに高く押し上げることができると考えた。それは隣接する原子との強い結合を形成する、炭素だ。彼らは、ともに粉砕した炭素と硫黄の小さな固体粒子をダイヤモンドアンビルセルに装填し、水素、硫化水素、メタンの3つのガスを導入した。次に、緑色のレーザーをダイヤモンドに照射し、化学反応を引き起こして混合物を透明な結晶に変えた。

その後、圧力を148GPaまで上げ、電気リード線で試料の導電性を調べたところ、147Kで結晶が超伝導になっていることがわかりました。磁場の測定からも、サンプルが超伝導になったことがわかったと、ディアスらは今週のNature誌に報告している。

ロチェスター大学の物理学・機械工学の助教授であるランガ・ディアスによる研究の概説

論文内で言及された潜在的な用途としては、以下のようなものがある。

  • 現在、電線の抵抗によるエネルギーの最大2億メガワット時(MWh)までの損失なしに電気を伝送する電力網。
  • 浮上式電車やその他の交通機関を推進するための新しい方法。
  • MRIや心磁図などの医用画像・スキャニング技術
  • デジタルロジックやメモリデバイス技術のための、より高速で効率的なエレクトロニクス。

この発見の共著者であるネバダ大学ラスベガス校のAshkan Salamatは、「私たちは半導体社会に生きていますが、このような技術があれば、電池のようなものを必要としない超伝導社会へと社会を変えることができる」と声明の中で述べている。ディアス教授は、次の課題は、室温の超伝導物質をより低い圧力で作り出す方法を見つけることであり、それによって経済的に大量に生産できるようになるだろうと述べている。

Photo: University of Rochester photo / J. Adam Fenster