高温超伝導
ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物（BSCCO）のサンプル。これは現在最も実用的な高温超伝導体の一つです。特筆すべきは、希土類元素を含まないことです。BSCCOはビスマスとストロンチウムをベースとした銅酸化物超伝導体です。動作温度が高いため、銅酸化物はより一般的なニオブ系超伝導体や二ホウ化マグネシウム超伝導体の競合となりつつあります。

高温超伝導（高T cまたはHTS）は、臨界温度（その温度以下では物質が超伝導体として振舞う）が液体窒素の沸点である77 K（−196.2 °C; −321.1 °F）を超える物質の超伝導である。[ 1 ]これらは、絶対零度に近い温度でのみ機能する既知の超伝導体と比較して「高温」であるに過ぎない。最初の高温超伝導体は、1986年にIBMの研究者であるゲオルク・ベドノルツとK・アレックス・ミュラーによって発見された。[ 2 ] [ 3 ]臨界温度は約35.1 K（−238.1 °C; −396.5 °F）であるが、この物質はチン・ウー・チューによって改良され、臨界温度93 K（−180.2 °C; −292.3 °F）の最初の高温超伝導体が作られた。[ 4 ]ベドノルツとミュラーは1987年に「セラミック材料における超伝導の発見における重要なブレークスルー」によりノーベル物理学賞を受賞した。 [ 5 ]ほとんどの高温超伝導材料は第二種超伝導体である。

高温超伝導体の主な利点は、液体窒素[ 2 ]を用いて冷却できることです。これは、従来の超伝導体では高価で取り扱いが難しい冷却剤、主に液体ヘリウムが必要であったのとは対照的です。高温超伝導体の第二の利点は、従来の材料よりも高い磁場でも超伝導性を維持できることです。これは、高温超伝導体の主な用途である超伝導磁石を製造する際に重要です。

高温超伝導体の大部分は、これまで知られていた金属材料ではなく、セラミックスです。セラミックス超伝導体は一部の実用用途には適していますが、製造上の課題があります。例えば、ほとんどのセラミックスは脆く、線材の製造を複雑にします。[ 6 ]

高温超伝導体の主な種類は、他の金属と複合した銅酸化物、特にイットリウム・バリウム銅酸化物（ YBCO）などの希土類バリウム銅酸化物（REBCO ）です。実用的な分類における高温超伝導体の2番目の種類は、鉄系化合物です。[ 7 ] [ 8 ]二ホウ化マグネシウムは高温超伝導体に含まれることがあります。製造は比較的簡単ですが、39 K（-234.2 °C）以下でしか超伝導しないため、液体窒素冷却には適していません。

歴史

超伝導体の発見のタイムライン。右側には液体窒素の温度が表示されており、これは通常、高温超伝導体と低温超伝導体を区別する基準となります。銅酸化物超伝導体は青いダイヤモンドで、鉄系超伝導体は黄色の四角で示されています。二ホウ化マグネシウムなどの低温または高圧金属BCS超伝導体は、参考までに緑の円で示されています。

超伝導は1911年にカメリング・オンネスによって金属固体において発見されました。それ以来、研究者たちは室温超伝導体の発見を目指し、より高温での超伝導の実現に取り組んできました[ 9 ]。[ 10 ] 1970年代後半までに、いくつかの金属化合物（特にNbTi、Nb 3 Sn、Nb 3 GeなどのNb系化合物）において、元素金属よりもはるかに高い温度、さらには20 K（-253.2 °C）を超える温度でも超伝導が観測されました。

1986年、スイスのチューリッヒ近郊にあるIBM研究所で、ベドノルツとミュラーは新しい種類のセラミック、すなわち銅酸化物、または銅酸化物における超伝導の可能性を探っていました。その年、ベドノルツとミュラーは、ランタンをベースとした銅酸化物ペロブスカイト材料であるランタンバリウム銅酸化物（LBCO）で超伝導を発見しました。その転移温度は35 Kでした（1987年ノーベル物理学賞受賞）。[ 11 ]ランタンをイットリウムに置き換えると（つまりYBCOを作ると）、臨界温度が90 K以上に上昇することがすぐに発見されました。 [ 12 ]彼らの結果はすぐに多くのグループによって確認されました[ 13 ] 。 [ 14 ]

1987 年、フィリップ W. アンダーソンが共鳴原子価結合 (RVB) 理論に基づいてこれらの材料の最初の理論的説明を行いました[ 15 ]が、これらの材料の完全な理解は今日でもなお発展中です。現在、これらの超伝導体はd波対対称性を持つことが知られています。高温銅酸化物超伝導体にはd波対形成が関与しているという最初の提案は、1987 年に NE Bickers、 Douglas James Scalapino、RT Scalettarによって行われ、 [ 16 ]その後、1988 年に Masahiko Inui、Sebastian Doniach、Peter J. Hirschfeld、Andrei E. Ruckenstein によるスピンゆらぎ理論を用いた 3 つの理論と、Claudius Gros、Didier Poilblanc、Maurice T. Rice、FCによって提案されました[ 17 ] Zhang, [ 18 ]およびGabriel Kotliarと Jialin Liuによって、 d波ペアリングが RVB 理論の自然な帰結であると特定されました。[ 19 ]銅酸塩超伝導体のd波の性質は、角度分解光電子分光法(ARPES) による励起スペクトルのd波ノードの直接観測、トンネル実験での半整数フラックスの観測、および侵入深さ、比熱、熱伝導率の温度依存性からの間接的な観測など、さまざまな実験によって確認されました。

2001年までは、銅酸化物が唯一の真の高温超伝導体であると考えられていました。同年、秋光らはT c 39KのMgB 2を発見しました。これに続き、2006年には細野らが鉄系層状 オキシニクタイド化合物のT c 56Kを発見しました[ 20 ] 。これらの温度は銅酸化物よりも低いものの、従来の超伝導体よりははるかに高い値です[ 21 ]。

2014年に、準2次元磁性体で分数粒子が発生し得ることを示す証拠が、ローザンヌ連邦工科大学（EPFL）の科学者によって報告され[ 22 ]、アンダーソンの高温超伝導理論を支持した[ 23 ] 。 2014年と2015年には、硫化水素（H2S）は、非常に高い圧力（約150ギガパスカル）で初めて予測され、その後、転移温度が80 Kの高温超伝導体であることが確認されました。[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]

2018年、マサチューセッツ工科大学物理学部の研究チームは、冷却と微小電荷の印加により、 1層が約1.1度の角度でねじれた二層グラフェンにおいて超伝導を発見しました。実験は高温環境で行われなかったものの、外部原子を導入する必要がなかったため、結果は古典的な高温超伝導体との相関性は低いといえます。[ 27 ]この超伝導効果は、グラフェン層間で電子が渦状にねじれた「スキルミオン」によって生じます。スキルミオンは単一の粒子として機能し、グラフェン層間で対を形成することで、超伝導に必要な基本条件を満たします。[ 28 ]

2019年にランタン水素化物（LaH10）は170ギガパスカルの圧力下で250Kで超伝導体となる。[ 29 ] [ 26 ]

2020年、Nature誌に、約270ギガパスカルの圧力下で水素、炭素、硫黄から作製された室温超伝導体（臨界温度288 K）に関する論文が掲載されました。[ 30 ] [ 31 ]しかし、2022年に編集者によってこの論文は撤回されました。これは、背景除去手順の妥当性が疑問視されたためです。9人の著者全員が、生のデータが論文の主要な主張を強く裏付けていると主張しています。[ 32 ]

2023年の研究では、ほぼ平行な線欠陥が密集した高配向熱分解グラファイトにおいて、室温・大気圧下で超伝導が発現することが報告された。 [ 33 ]

2021年現在、[ 34 ]常圧で最も高い転移温度を持つ超伝導体は水銀、バリウム、カルシウムの銅酸化物で、約133 K（-140 °C）でした。[ 35 ]他の超伝導体では、例えばランタン超水素化物では250 K（-23 °C）と、より高い転移温度が記録されていますが、これらは高圧下でのみ発生します。[ 36 ]

超伝導体の選定リスト

  超伝導体  冷却剤

確認された超伝導体と一般的な冷却剤の選択[ 37 ]
T c / T沸騰プレッシャー 材料 注記
K °C
273.15 0 100 kPa氷：大気圧での融点（一般的な冷却剤；参考）
250 −23 170 GPaLaH 10 [ 38 ]最も高い臨界温度を持つ金属超伝導体
203 −70 155 GPa 硫化水素（H 2 S） の高圧相メカニズムは不明だが、同位体効果が観察される[ 39 ]
194.6 −78.5 100 kPa 二酸化炭素（ドライアイス）：大気圧での昇華点（一般的な冷却剤；参考）
138 −135 Hg 12 Tl 3 Ba 30 Ca 30 Cu 45 O 127 [ 34 ]比較的高い臨界温度を持つ銅酸化物を含む高温超伝導体
110 −163 Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 ( BSCCO )
92 −181 YBa 2 Cu 3 O 7 ( YBCO )
87 −186 100 kPa アルゴン：大気圧での沸点（一般的な冷却剤；参考）
77 −196 100 kPa 窒素：大気圧での沸点（一般的な冷却剤；参考）
45 −228 SmFeAsO 0.85 F 0.15比較的高い臨界温度を持つ低温超伝導体
41 −232 CeOFeAs
39 −234 100 kPa マグネシウムB 2大気圧下で比較的高い臨界温度を持つ金属超伝導体
30 −243 100 kPa La 2−x Ba x CuO 4 [ 40 ]ベドノルツとミュラーによって発見された銅酸化物による最初の高温超伝導体
27 −246 100 kPa ネオン：大気圧での沸点（一般的な冷却剤；参考）
21.15 −252 100 kPa 水素：大気圧での沸点（一般的な冷却剤；参考）
18 −255 Nb 3 Sn [ 40 ]技術的に重要な金属低温超伝導体
9.2 −264.0 NbTi [ 41 ]
4.21 −268.94 100 kPa ヘリウム：大気圧での沸点（低温物理学の一般的な冷却剤；参考）
4.15 −269.00 Hg（水銀）[ 42 ]金属低温超伝導体
1.09 −272.06 Ga（ガリウム）[ 42 ]

プロパティ

「高温」超伝導体クラスには多くの定義があります。

高温超伝導体（High- Tc ）という呼称は、液体窒素の沸点を超える臨界温度を持つ物質にのみ用いられるべきである。しかしながら、最初に発見された超伝導体や最近発見されたニクタイド超伝導体を含む多くの物質は、臨界温度が77 K（-196.2 °C）未満であるにもかかわらず、出版物では高温超伝導体（High-Tc）クラスと称されることが多い。[ 43 ] [ 44 ]

液体窒素の沸点以上の臨界温度を持ち、高い臨界磁場と臨界電流密度（これを超えると超伝導が破壊される）を併せ持つ物質は、技術応用に大きな利益をもたらすだろう。磁石の用途では、高い臨界磁場の方が高いT cそのものよりも価値があるかもしれない。銅酸化物の中には、約 100 テスラの上限臨界磁場を持つものもある。しかし、銅酸化物材料は脆いセラミックであり、製造コストが高く、ワイヤやその他の有用な形状に加工するのは容易ではない。さらに、高温超伝導体は大規模で連続した超伝導領域を形成するのではなく、超伝導が生じるミクロドメインのクラスターを形成する。そのため、磁気共鳴分光計の磁石など、実際に超伝導電流を必要とする用途には不向きである。[ 45 ]この問題の解決策（粉末）については、 HTS ワイヤの項を参照。

YBCO [ 46 ] 、鉄系超伝導体、いくつかのルテノ銅酸化物、その他のエキゾチック超伝導体において、高温超伝導と磁気秩序の共存については多くの議論があり、他の物質群の探索も続けられている。HTSは第二種超伝導体であり、磁場が量子化された磁束単位で内部に浸透するため、超伝導を抑制するにははるかに高い磁場が必要となる。また、層状構造は磁場応答に方向依存性を与える。

既知の高温超伝導体はすべて第二種超伝導体です。マイスナー効果により全ての磁場を放出する第一種超伝導体とは対照的に、第二種超伝導体は磁場が量子化された磁束単位で内部に浸透することを許容し、超伝導体内部に渦と呼ばれる通常の金属領域の「穴」または「管」を形成します。その結果、高温超伝導体ははるかに高い磁場に耐えることができます。

銅酸化物

銅酸化物超伝導体は、銅酸化物（CuO2）が他の金属酸化物の層と交互に積層され、電荷貯蔵庫として機能します。常圧では、銅酸化物超伝導体は既知の超伝導体の中で最も高温で動作します。

銅酸化物超伝導体の相図：半導体を記述する基本モデルと同様に、銅酸化物超伝導体は基本的に電子（n）ドープ銅酸化物と正孔（p ）ドープ銅酸化物に分けられる。標準的な銅酸化物超伝導体であるYBCOとBSCCOはどちらも正孔ドープであることに注目すべきである。[ 47 ]

銅酸化物は2次元物質に近い構造を持つ。その超伝導特性は、弱く結合した銅酸化物（CuO2）層です。隣接する層には、ランタン、バリウム、ストロンチウムなどのイオン、あるいはその他の原子が含まれており、構造を安定化させ、銅酸化物層に電子または正孔をドープします。ドープされていない「親」または「母」化合物は、十分に低い温度で長距離反強磁性秩序を示すモット絶縁体です。一般に、電子特性を記述するには単一バンドモデルで十分であると考えられています。

銅酸化物超伝導体はペロブスカイト構造をとる。銅酸化物面はチェッカーボード 格子であり、各正方形の中心にCu 2+イオンを含むO 2-イオンの正方形が配置されている。単位胞はこれらの正方形から45°回転している。超伝導材料の化学式には、超伝導に必要なドーピング量を表すために分数が含まれる。

銅酸化物超伝導体にはいくつかのファミリーが同定されています。これらは、構成元素と、各超伝導ブロック内の隣接する銅酸化物層の数によって分類できます。例えば、YBCOとBSCCOは、各超伝導ブロックの層数（n）に応じて、Y123とBi2201/Bi2212/Bi2223と呼ばれます。超伝導転移温度は、最適なドーピング値（p =0.16）と各ブロックの最適な層数（通常は3層）でピークに達します。

銅酸化物超伝導のメカニズムについては、依然として多くの議論と研究が続けられています。ドーピングされていない物質の低温状態と、ドーピングによって発現する超伝導状態（主にCu 2+イオンのd x 2 −y 2軌道状態）との類似性は、銅酸化物において電子-電子相互作用が電子-フォノン相互作用よりも重要であることを示唆しており、この超伝導を非従来型のものにしています。フェルミ面に関する最近の研究では、スピン波が存在する反強磁性ブリルアンゾーンの4点でネスティングが発生し、これらの点で超伝導エネルギーギャップが大きいことが示されています。ほとんどの銅酸化物で観測される弱同位体効果は、BCS理論によって十分に説明される従来型の超伝導とは対照的です。

鉄ベース

鉄系高温超伝導体の相図[ 48 ]

鉄系超伝導体は、鉄と、ヒ素やリン などのプニクトゲン 、カルコゲン、またはクリスタロゲンの層から構成されています。現在、この系は銅酸化物に次いで2番目に高い臨界温度を持つ物質群です。これらの超伝導特性への関心は、2006年にLaFePOが4 K（-269.15 °C）で超伝導を示すことが発見されたことで始まりました[ 49 ]。そして2008年、類似物質であるLaFeAs(O,F) [ 50 ]が圧力下で最大43 K（-230.2 °C）で超伝導を示すことが発見され、さらに大きな注目を集めました。[ 51 ] 鉄系超伝導体の中で最も高い臨界温度を持つのはFeSe薄膜であり、[ 52 ] [ 53 ] [ 54 ] 2014年には100 K（-173 °C）を超える臨界温度が報告された。[ 55 ]

最初の発見以来、鉄ベースの超伝導体のいくつかのファミリーが出現しました。

  • LnFeAs(O,F)またはLnFeAsO 1−x (Ln = ランタニド)は、最高56 K (-217.2 °C)のT cを持ち、1111物質と呼ばれています。 [ 8 ]その後、これらの物質のフッ化物変種が同様のT c値で発見されました。[ 56 ]
  • (Ba,K)Fe 2 As 2および関連物質は、鉄-ヒ素層のペアを持ち、122化合物と呼ばれます。T c値は最大38 K（-235.2 °C）です。[ 57 ] [ 58 ]これらの物質は、鉄をコバルトに置き換えると超伝導も示します。
  • LiFeAsとNaFeAsはT cが約20 K（-253.2 °C）まで上昇する。これらの物質は化学量論組成に近い超伝導を示し、111化合物と呼ばれる。[ 59 ] [ 60 ] [ 61 ]
  • わずかにオフストイキオメトリーなFeSeまたはテルルドーピング。[ 62 ]
  • LaFeSiHは化学量論組成においてTcが約11 K（-262.1 °C）である。[ 63 ]この超伝導結晶化物には酸化物とフッ化物の変種LaFeSiO xとLaFeSiF xがある。[ 64 ] [ 65 ]

ほとんどの非ドープ鉄系超伝導体は、銅酸化物超伝導体と同様に、正方晶-斜方晶系構造相転移を示し、低温で磁気秩序化が起こります。 [ 66 ]しかし、これらはモット絶縁体ではなく不良金属であり、フェルミ面に1つではなく5つのバンドがあります。 [ 48 ] 鉄ヒ化物層をドープすると現れる相図は非常に類似しており、超伝導相は磁気相に近いか重なり合っています。T c 値が As–Fe–As 結合角によって変化するという強力な証拠がすでに現れており、最適なT c値は歪みのない FeAs 4四面体で得られることを示しています。[ 67 ]ペアリング波動関数の対称性は依然として広く議論されていますが、現在は拡張されたs波シナリオが有力視されています。

二ホウ化マグネシウム

二ホウ化マグネシウムは、そのT c値が39 K（-234.2 °C）であり、 BCS超伝導体に対して歴史的に期待されていた値を超えているため、高温超伝導体と呼ばれることがあります[68] 。しかし、一般的には、従来型超伝導体の中で最も高いT cを持つと考えられており、このT c の上昇は、フェルミ準位に2つの独立したバンドが存在することによるものです。

炭素ベース

1991年にヘバードらは、アルカリ金属原子がC60分子に挿入されたフラーレン系超伝導体[ 69 ]を発見した。

2008年にガニンらはCs3C60で38K（ -235.2 ℃）までの温度で超伝導を実証した。[ 70 ]

Pドープグラファンは2010年に高温超伝導を維持できると提案されました。[ 71 ]

2023年12月31日、「Advanced Quantum Technologies」誌に「グラファイトにおける全球室温超伝導」という論文が掲載され、ほぼ平行な線欠陥が密集した高配向熱分解グラファイトにおいて室温・大気圧下で超伝導が実証されたと主張した。[ 72 ]

ニッケル酸塩

1999年、アニシモフらはニッケル酸塩の超伝導を推測し、銅酸塩超伝導体の直接的な類似物としてニッケル酸化物を提案した。[ 73 ]無限層ニッケル酸塩Nd0.8Sr0.2NiO2の超伝導は、 2019年末に9〜15K（-264.15〜-258.15℃）の超伝導転移温度で報告された。[ 74 ] [ 75 ]この超伝導相は、Nd 0.8 Sr 0.2 NiO 3をSrTiO 3基板上にパルスレーザー蒸着して作製した酸素還元薄膜で観測され、その後、CaH 2 の存在下で 533～553 K (260～280 °C) で薄膜をアニールして Nd 0.8 Sr 0.2 NiO 2 に還元されます。 [ 76 ] 超伝導相は酸素還元膜でのみ観測され、同じ化学量論の酸素還元バルク材料では見られないことから、Nd 0.8 Sr 0.2 NiO 2薄膜の酸素還元によって誘発される歪みによって相空間が変化し、超伝導が可能になることが示唆されます。[ 77 ]さらに重要なのは、CaH 2 による還元からアクセス可能な水素を抽出することです。さもないと、トポタクティック水素が超伝導を妨げる可能性があります。 [ 78 ]

生産

液体窒素は比較的安価に、しかも現場で製造できます。さらに、高温であるため、液体ヘリウムの温度で発生する問題、例えば凍結した空気の塊が形成されて極低温ラインが閉塞し、予期せぬ危険な圧力上昇を引き起こすといった問題を回避することができます。[ 79 ] [ 80 ]

進行中の研究

高温超伝導体において超伝導がどのように発現するかという問題は、理論凝縮物質物理学における主要な未解決問題の一つです。これらの結晶中の電子が対を形成するメカニズムは未解明です。精力的な研究と多くの有望な手がかりにもかかわらず、科学者たちは未だにその解明に至っていません。その理由の一つは、対象となる物質が一般的に非常に複雑な多層結晶（例えばBSCCO）であるため、理論モデル化が困難であることです。

サンプルの品質と種類の改善によって、既存の化合物の物理的特性の評価を向上させることと、多くの場合T c の増加が期待される新しい材料の合成の両方を目的とした、かなりの研究も生まれます。技術研究では、HTS材料を十分な量で製造してその使用を経済的に実行可能にすること[ 81 ]と、アプリケーションに関連して特性を最適化することに重点を置いています。[ 82 ]金属水素は室温超伝導体として提案されており、いくつかの実験観測でマイスナー効果の発生が検出されています。[ 83 ] [ 84 ]銅をドープした鉛アパタイトであるLK-99も室温超伝導体として提案されています。

理論モデル

HTS を説明するために複数の仮説が試みられています。

共鳴原子価結合理論

スピンゆらぎ仮説[ 85 ]は、高温超伝導体における電子対形成はパラマグノンと呼ばれる短距離スピン波によって媒介されると提唱した。[ 86 ] [ 87 ]

グブサー、ハートノル、ヘルツォーク、ホロウィッツは、ホログラフィック超伝導を提唱した。これは、ホログラフィック双対性、あるいはAdS/CFT対応理論を用いて、特定の物質における高温超伝導を説明するものである。[ 88 ]

弱結合理論によれば、超伝導はドープ系における反強磁性スピン揺らぎから発現すると考えられる。[ 89 ]この理論は、銅酸化物高温超伝導体の対波動関数がd x 2 -y 2対称性を持つと予測する。したがって、対波動関数がd波対称性を持つかどうかを判断することは、スピン揺らぎのメカニズムを検証するために不可欠である。つまり、高温超伝導体の秩序パラメータ（ギンツブルグ・ランダウ理論における対波動関数）がd波対称性を持たない場合、スピン揺らぎに関連する対波動メカニズムは排除される。（鉄系超伝導体についても同様の議論が成り立つが、材料特性が異なるため、対波動対称性は異なる。）

層間結合理論は、BCS型（ s波対称性）超伝導体からなる層状構造が、それ自体で超伝導を説明できると提唱している。[ 90 ]このモデルは、層間に追加のトンネル相互作用を導入することで、秩序パラメータの異方性対称性とHTSの出現を説明した。

この疑問を解決するために、光電子分光法、NMR、比熱測定などの実験が行われた。結果は依然として曖昧であり、d対称性を支持する報告もあれば、s対称性を支持する報告もある。

このような説明は、超伝導特性が平均場理論で扱えることを前提としている。また、超伝導ギャップに加えて擬ギャップも説明する必要があることを考慮していない。銅酸化物層は絶縁体であり、超伝導体は層間不純物をドープすることで金属性となる。

遷移温度は、ドーパント濃度を変えることで最大化できる。最も単純な例は La 2 CuO 4で、これは純粋な状態では絶縁体である CuO 2層と LaO 層が交互に積層されている。La の 8% を Sr に置き換えると、Sr はドーパントとして働き、CuO 2層に正孔を供給してサンプルを金属化する。また、Sr 不純物は電子ブリッジとしても働き、層間結合を可能にする。この図式から、一部の理論では、クーパー対を持つ従来の超伝導体と同様に、フォノンとのペアリング相互作用が起こっていると主張している。ドープされていない材料は反強磁性であるが、不純物ドープが数パーセントあるだけでも、CuO 2面に、やはりフォノンによって引き起こされる小さな擬似ギャップが生じる。このギャップは電荷キャリアの増加とともに減少し、超伝導ギャップに近づくと超伝導ギャップは最大値に達する。遷移温度は、キャリアのパーコレーション挙動に起因すると主張されている。キャリアは主にCuO 2面の金属領域においてジグザグのパーコレーション経路を辿り、電荷密度波ドメインウォールによって遮断された後、ドーパントブリッジを介して隣接するCuO 2面の金属領域へと移動する。遷移温度の最大値は、ホスト格子が弱い結合曲げ力を持つときに達し、層間ドーパントにおいて強い電子-フォノン相互作用が生じる。[ 91 ]

YBCOのD対称性

液体窒素で冷却された高温超伝導体の上に浮かぶ小さな磁石。これはマイスナー効果の一例です。

HTS の秩序パラメータの対称性をテストするために、YBa 2 Cu 3 O 7 (YBCO)の 3 粒子リングの磁束量子化に基づく実験が提案されました。秩序パラメータの対称性は、クーパー対がジョセフソン接合または弱いリンクをトンネルするときに、接合インターフェースで最もよく調べることができます。[ 92 ]半整数磁束、つまり自発磁化は、 d対称性超伝導体の接合でのみ発生すると予想されました。しかし、接合実験が HTS 秩序パラメータの対称性を決定する最も強力な方法であるとしても、結果はあいまいでした。John R. Kirtleyと CC Tsuei は、あいまいな結果は HTS 内部の欠陥から生じると考え、クリーン限界 (欠陥なし) とダーティ限界 (最大欠陥) の両方を同時に考慮する実験に至りました。[ 93 ] YBCOでは自発磁化が明瞭に観測され、YBCOの秩序パラメータがd対称性を持つことが裏付けられた。しかし、YBCOは斜方晶系であるため、本質的にs対称性の混在が見られる可能性がある。彼らは手法を調整することで、YBCOに約3%以内のs対称性の混在を発見した。[ 94 ]また、彼らは正方晶系Tl 2 Ba 2 CuO 6において純粋なd x 2 −y 2秩序パラメータ対称性を発見した。[ 95 ]

スピン揺らぎのメカニズム

このような強く相互作用する電子系に関する正確な理論計算が不足しているため、スピン揺らぎの検証は困難を極めている。しかしながら、現象論的アプローチやダイアグラム的アプローチを含むほとんどの理論計算は、対形成機構として磁気揺らぎに収束している。

定性的な説明

超伝導体では、電子の流れは個々の電子に分解できず、クーパー対と呼ばれる束縛された電子対によって構成されます。従来の超伝導体では、物質中を移動する電子が周囲の結晶格子を歪ませ、それが別の電子を引き寄せて束縛電子対を形成することで、これらの電子対が形成されます。これは「ウォーターベッド」効果と呼ばれることもあります。各クーパー対が変位するには一定の最小エネルギーが必要であり、結晶格子内の熱揺らぎがこのエネルギーよりも小さければ、クーパー対はエネルギーを消費することなく流れることができます。抵抗のない電子の流れが超伝導です。

高温超伝導体におけるメカニズムは、フォノンが実質的に役割を果たさず、スピン密度波が代わりに働く点を除けば、従来の超伝導体と非常に類似しています。既知の従来の超伝導体はすべて強いフォノン系であるのと同様に、既知の高温超伝導体はすべて強いスピン密度波系であり、例えば反強磁性体への磁気転移のすぐ近傍に存在します。高温超伝導体中を電子が移動すると、そのスピンが周囲にスピン密度波を発生させます。このスピン密度波は、近くの電子を最初の電子によって作り出されたスピンディプレッション（ウォーターベッド）に引き込みます。系の温度が低下すると、より多くのスピン密度波とクーパー対が生成され、最終的に超伝導状態へと至ります。高温超伝導体はクーロン相互作用によって磁性系となり、電子間に強いクーロン斥力が生じます。この斥力は、クーパー対が同じ格子サイトで対を形成するのを防ぎます。代わりに、隣接する格子サイトで対が形成されます。これはいわゆるd波ペアリングであり、ペアリング状態には原点にノード (ゼロ) があります。

例

高T c銅酸化物超伝導体の例としては、 YBCOやBSCCOが挙げられます。これらは、液体窒素の沸点以上で超伝導を実現する最もよく知られた材料です。

実用的超伝導体と冷却剤の常圧における温度
転移温度 アイテム 材質の種類
195 K (-78 °C) ドライアイス（二酸化炭素）  -昇華冷却剤
184 K (-89 °C) 地球上で記録された最低気温冷却剤
110 K (-163 °C) BSCCO銅酸化物超伝導体
93 K (-180.2 °C) YBCO
77 K (-196.2 °C) 窒素 – 沸騰 冷却剤
55 K (-218.2 °C) SmFeAs(O,F) 鉄系超伝導体
41 K (-232.2 °C) CeFeAs(O,F)
26 K (-247.2 °C) LaFeAs(O,F)
18 K (-255.2 °C) Nb 3 Sn金属低温超伝導体
3K（−270℃） ヘリウム – 沸騰 冷却剤
3 K (-270.15 °C) Hg（水銀：最初に発見された超伝導体） 金属低温超伝導体

参照

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