共有結合型超伝導体
原子が共有結合でつながれた超伝導材料
高濃度ホウ素ドープ超伝導ダイヤモンド合成後の高圧セルの一部。ダイヤモンド（黒い球）は2つのグラファイトヒーターの間に配置されている。

共有結合型超伝導体は、原子が共有結合によって結合した超伝導材料です。最初のそのような材料は、高圧高温（HPHT）法で成長したホウ素ドープ合成ダイヤモンドでした。 [1]この発見は実用的な重要性はありませんでしたが、ダイヤモンドやシリコンなどの共有結合型半導体では超伝導が観測されていなかったため、多くの科学者を驚かせました。

歴史

12 C、13 C、10 B、または11 B同位元素を豊富に含むダイヤモンドの交流磁化率を温度の関数として測定した。12 C- 13 Cシフトの観測とその大きさは、バルク多結晶ホウ素ドープダイヤモンドにおける超伝導のBCS機構を裏付けている。

科学における多くの発見の優先順位は、激しく論争されています（例えば、ノーベル賞論争を参照）。別の例として、飯島澄男氏が1991年にカーボンナノチューブを「発見」した後、多くの科学者がカーボンナノファイバーは実際には数十年前に観測されていたと指摘しました。共有結合半導体における超伝導についても同様です。ゲルマニウムおよびシリコンゲルマニウムの超伝導は、1960年代初頭に理論的に予測されていました。[2] [3]その直後、テルル化ゲルマニウムで超伝導が実験的に検出されました。[4] [5] 1976年には、銅イオンを注入したゲルマニウムでT c = 3.5 Kの超伝導が実験的に観測されました。 [6]ゲルマニウムの超伝導にはアモルファス化が不可欠であり、超伝導は銅ではなくゲルマニウム自体に起因することが実験的に実証されました。

ダイヤモンド

ダイヤモンドの超伝導は、ホウ素による高濃度p型ドーピングによって達成されました。これにより、個々のドーピング原子が相互作用し、「不純物バンド」が形成されました。この超伝導はII型超伝導であり、臨界温度T c = 4 K、臨界磁場B c = 4 Tでした。その後、ホモエピタキシャルCVD膜においてT c ≈ 11 Kが達成されました。 [7] [8]

ダイヤモンドの超伝導の起源については、フォノン媒介ペアリングに基づく従来のBCS理論、相関不純物バンド理論[9]、フェルミ準位付近に弱く局在する正孔のスピンフリップ駆動ペアリング[ 10]の3つの代替理論が提唱されている。12 C、13 C、10 B、または11 B同位体で濃縮されたダイヤモンドの実験では、明確なT cシフトが明らかになり、その大きさはバルク多結晶ダイヤモンドにおける超伝導のBCSメカニズムを裏付けている。 [11]

カーボンナノチューブ

カーボンナノチューブには固有の超伝導性を示すという報告があるものの[ 12] [13]、他の多くの実験では超伝導の証拠は見つかっておらず、これらの結果の妥当性は依然として議論の的となっている。[14]しかし、ナノチューブとダイヤモンドの間には重要な違いがある。ナノチューブは共有結合した炭素原子を含んでいるものの、その性質はダイヤモンドよりもグラファイトに近く、ドーピングなしでも金属となり得る。一方、ドーピングされていないダイヤモンドは絶縁体である。

インターカレートグラファイト

CaC 6の構造

金属原子がグラファイト面の間に挿入（インターカレーション）されると、以下の転移温度を持ついくつかの超伝導体が生成されます。[15] [16]

材料 CaC 6 リチウム3カルシウム2炭素6 YbC 6 SrC 6 KC 8 RbC 8 NaC 3 KC 3 LiC 3 NaC 2 LiC 2
T c (K) 11.5 11.15 6.5 1.65 0.14 0.025 2.3～3.8 3.0 <0.35 5.0 1.9

シリコン

「ダイヤモンド構造中に形成されるSiとGeも、適切な条件下では同様に超伝導を示す可能性がある」と示唆され[1] 、実際、高濃度ホウ素ドープSi（Si:B） [17]とSiC:B [18]における超伝導の発見がその後すぐに続きました。ダイヤモンドと同様に、Si:Bは第二種超伝導体ですが、 T c = 0.4 K、B c = 0.4 Tと、はるかに低い値を示します。Si:Bの超伝導は、ガス浸漬レーザードーピングという特殊な非平衡技術を用いて、高濃度ドーピング（8 at.%以上）によって達成されました。

炭化ケイ素

SiCの超伝導は、ホウ素[19]またはアルミニウム[20]の高濃度ドーピングによって達成された。立方晶系（3C-SiC）と六方晶系（6H-SiC）の両相は超伝導性を示し、1.5 Kという非常に類似したT c を示す。しかしながら、アルミニウムドーピングとホウ素ドーピングの磁場挙動には決定的な違いが観察される。SiC:AlはSi:Bと同様にタイプIIである。一方、SiC:BはタイプIである。この違いを説明するために、SiCの超伝導においてはSiサイトが炭素サイトよりも重要であることが指摘された。ホウ素はSiCにおいて炭素を置換するのに対し、AlはSiサイトを置換する。したがって、AlとBは異なる環境を「見ている」ため、SiC:AlとSiC:Bの異なる特性を説明できる可能性がある。[21]

硫化水素

90 GPa（ギガパスカル）以上の圧力下では、硫化水素は金属電気伝導体となる。臨界温度以下に冷却すると、その高圧相は超伝導を示す。臨界温度は圧力とともに上昇し、100 GPaでは23 K、200 GPaでは150 Kとなる。[22]硫化水素を高温で加圧した後、冷却すると、臨界温度は203 K（-70 °C）に達し、これは2015年時点で認められている最高の超伝導臨界温度である。硫黄の一部をリンに置き換え、さらに高圧にすることで、臨界温度を0 °C（273 K）以上に上昇させ、室温超伝導を実現できる可能性があると予測されている。[23]

参照

参考文献

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  • ダイヤモンドおよび関連材料の超伝導に関する国際ワークショップ2005
  • ダイヤモンドおよび関連材料の超伝導に関する国際ワークショップ 2008
  • 新しいダイヤモンドとフロンティアカーボンテクノロジー第17巻第1号CVDダイヤモンドの超伝導特集号
  • 超伝導ダイヤモンドに関するいくつかの論文
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