フラーレン超伝導体: バランスを最適化して最高の転移温度を実現

2015年09月28日

非従来型のフラーレン超伝導体に新しい金属状態が発見された

アルカリ金属ドープフラーレン超伝導材料の格子構造。
アルカリ金属ドープフラーレン超伝導材料の格子構造。

© 2015 Kosmas Prassides

超伝導体は電気抵抗がゼロであるため、エネルギーを熱として放散することなく電気を運ぶことができる。室温に近い温度で動作する超伝導体を作製するのは極めて困難なので、超伝導現象が起こる臨界温度(超伝導転移温度)を上昇させる方法がさかんに研究されている。

一般的な超伝導体では原子が規則正しく配列しているが、分子性超伝導体では分子が周期的に並んでいる。現在、既知の分子性超伝導体の中で最高の超伝導転移温度を誇っているのは、「バッキーボール」とも呼ばれるフラーレン分子(C60)とアルカリ金属原子の規則格子を持つ分子性超伝導体(図参照)で、その温度は38ケルビンである。

東北大学原子分子材料科学高等研究機構(AIMR)のKosmas Prassides教授が率いる国際研究グループは、そうした分子性超伝導体の一つであるセシウムドープフラーレン(Cs3C60)を詳しく調べた1。彼らは、セシウムドープフラーレンのセシウム原子の一部をより小さなルビジウム原子で置き換えることによって、周期構造中の隣り合うフラーレン分子間の距離を変えることができた。この置換は、静水圧を増大させるのに似た効果を生じる。フラーレン分子どうしが、より密に充填されるようになるからだ。研究者らは、フラーレン化合物分子の密度に対する超伝導転移温度の変化がドーム状のカーブを描き、電子構造の分子的な特徴と拡張格子的な特徴のバランスが最適となる位置にドームのピークが現れることを見いだした。

この材料はさまざまな相を示す。すなわち、常圧では絶縁体だが、静水圧または化学圧力の下で超伝導体となる。金属相と磁性相もある。さらに今回、金属の非局在性電子とフラーレン分子の局在性電子が共存する新しい金属相が特定され、「ヤーン-テラー金属」と名付けられた。

「私たちは、最高転移温度につながるこの新しい状態の起源がC60分子の電子構造にあることを示しました」とPrassides教授は言う。「本研究は、理論家にとっては、競合する絶縁基底状態と超伝導基底状態がどのように関係しているのかを突き止めるのに役立つでしょう。実験家にとっては、材料を改良して転移を制御し、詳細な測定を行って、これらの電子基底状態同士の関連性をさらに解明するのに役立つでしょう」。

こうした分子性材料の面白さは、目的に合わせて合成方法や出発物質を調整することにより、材料を構成する分子の化学構造や電子構造を制御できる点にある。分子設計を最適化することで、高温超伝導さえ実現できるかもしれない。「既知の超伝導材料ファミリーのほとんどは原子材料なので、このようなやり方で研究を進めることはできません」とPrassides教授は説明する。「分子性材料の研究が進めば、将来的には、超伝導体の普及を実現させ、電気効率を著しく向上させるかもしれません」。

References

  1. Zadik, R. H., Takabayashi, Y., Klupp, G., Colman, R. H., Ganin, A. Y., Potočnik, A., Jeglič, P., Arčon, D., Matus, P., Kamarás, K. et al. Optimized unconventional superconductivity in a molecular Jahn–Teller metal. Science Advances 1, e1500059 (2015). | article

このリサーチハイライトは原著論文の著者の承認を得ており、記事中のすべての実験データは同著者から提供されたものです。