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鉄系高温超伝導体で世界最高の超伝導電流を実現!

 
~強磁場発生用磁石応用へ前進~

公開日:2021.10.22

 

研究成果 Physics & Chemistry

ポイント

  • 強磁場中で大きな超伝導電流を流すためには、超伝導体を構成する結晶粒子を一定方向に並べつつ、かつ超伝導体内部に無数の欠陥を導入する必要がある。
  • (Ba,K)Fe2As2薄膜を成長させる下地にフッ化カルシウムを選択し、成長温度条件を最適化することで上記の問題を解決。さらには、超伝導体内部に無数の小傾角粒界を導入して、それらを欠陥として働かせた結果、鉄系高温超伝導体で世界最高の超伝導電流を実現。
  • 医療用磁気共鳴映像法(Magnetic Resonance Imaging: MRI)などに用いられる強力な磁場発生用磁石への研究開発の加速化が期待される。

概要

 国立大学法人東海国立大学機構 名古屋大学大学院工学研究科の飯田 和昌 准教授、畑野 敬史 助教は、米国立強磁場研究所のタランティーニ キアラ 博士、国立大学法人東京農工大学の秦 東益 博士前期課程学生、内藤 方夫 シニアプロフェッサー及び山本 明保 准教授、国立大学法人九州大学の郭 子萌 博士後期課程学生、高 紅叶 博士研究員、王 超 博士研究員、斉藤 光 准教授及び波多 聰 教授との共同研究で、鉄系高温超伝導体注1)のうち、最も実用化が期待されている物質である(Ba,K)Fe2As2注2)で、数テスラ注3)という比較的大きな磁場中において世界最高レベルの超伝導電流を流すことに成功しました。
 鉄系高温超伝導体は結晶粒界注4)で粒界弱結合と呼ばれる問題を有し、結晶粒界をまたいで流れる超伝導電流が抑制されてしまいます。また高磁場中で大きな超伝導電流を流すためには、超伝導体内部に無数の欠陥を導入する必要があります。
 今回、(Ba,K)Fe2As2薄膜を成長させる下地にフッ化カルシウムを選択し、成長温度を(Ba,K)Fe2As2の融点の半分以下にすることで、粒界弱結合の問題を回避しつつ、超伝導体内部に無数の小傾角粒界注5)を導入することに成功しました。小傾角粒界は欠陥として働き、高磁場中における超伝導電流は鉄系高温超伝導体として世界最高の値を記録しました。本成果により、医療用MRIなどに用いられる強力な磁場発生用磁石への研究開発の加速化が期待されます。また今回の基礎研究成果をもとに、高性能な多結晶型鉄系高温超伝導材料注6)の創製へと展開していきます。
 本研究成果は、2021年10月22日午前9時(日本時間)付ネイチャー・パブリッシング・グループの学術誌「NPG Asia Materials」に掲載されました。
 本研究は、2018年度から始まった国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)戦略的創造推進事業CREST『超伝導インフォマティクスに基づく多結晶型超伝導材料・磁石の開発』(研究代表者: 山本 明保、JPMJCR18J4)と文部科学省「ナノテクノロジープラットフォーム」の支援のもとで行われたものです。

図1:外部磁界を印加すると量子化された磁束が超伝導体内に侵入する。この状態で電流を流すと磁束量子にはローレンツ力が働く。

図2: (Ba,K)Fe2As2薄膜断面の明視野走査型透過電子顕微鏡像。幅30~60nmの柱状結晶粒がCaF2基板からほぼ垂直に成長している様子がわかる。

用語解説

注1)鉄系高温超伝導体:
2008年に東京工業大学の細野 秀雄 教授らによって発見された鉄を含む一連の超伝導体群で、超伝導転移温度は最高で55ケルビン(摂氏マイナス218℃)に達する。

注2)(Ba,K)Fe2As2
鉄系高温超伝導体に分類される物質で、母相はAeFe2As2 (Aeはアルカリ土類金属でCa,Sr,Ba)。BaサイトをKで部分置換を行うと超伝導が発現し、その最高転移温度は約38ケルビン(摂氏マイナス235℃)に達する。

注3)テスラ:
磁場(磁束密度)の強さを表し、Tで表記される。例えば鉄の飽和磁化は2.2 T。

注4)結晶粒界:
多結晶体における結晶粒と結晶粒の境界。結晶の不連続性を補うために、結晶粒界の原子配列は結晶粒内部のものとは一般に異なっている。

注5)小傾角粒界:
隣接する結晶粒の結晶方位差が僅少な結晶粒界。鉄系高温超伝導体では方位差が9º以内の場合、磁束ピンニングとして働く。

注6)多結晶型鉄系高温超伝導材料:
鉄系高温超伝導体の小さな結晶粒が多数集合して構成されるバルク(塊)状の材料。各結晶粒の方位はランダムであり、多くの結晶粒界を含む。

論文情報

タイトル:
著者名:
飯田和昌*,秦東益,タランティーニ キアラ,畑野敬史,王超,郭子萌,高紅叶,斉藤光,波多聰,内藤方夫,山本明保,*は責任著者 
掲載誌:
NPG Asia Materials 
DOI:
10.1038/s41427-021-00337-5 

研究に関するお問い合わせ先

総合理工学研究院 波多 聰 教授