(57)【要約】本発明は、室温（298K）以上の超伝導転移（臨界）温度（Tc）に到達する可能性のある、アクチニド群およびランタニド（希土類）の金属化合物ならびに151K以上の電気的な超伝導特性を有する初期遷移金属化合物を用いる方法を提供する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
抵抗なく電気を伝導させるための方法であって、
前記方法は、電流を生成するステップと、
試料サイズが7.8mm×2.6mm×1.5mm以外であって、式MXnで規定される超伝導材料またはその塩に50mAから100mA以外の電流を大気圧下で流すステップと、を有し、
前記Mは、トリウム（Th）、プロトアクチニウム（Pa）、ウラン（U）、ネプツニウム（Np）、プルトニウム（Pu）、アメリシウム（Am）、キュリウム（Cm）、バークリウム（Bk）、カリフォルニウム（Cf）、ランタン（La）、セリウム（Ce）、プラセオジム（Pr）、ネオジム（Nd）、サマリウム（Sm）、ユーロピウム（Eu）、ガドリニウム（Gd）、テルビウム（Tb）、ジスプロシウム（Dy）、ホルミウム（Ho）、エルビウム（Er）、ツリウム（Tm）、イッテルビウム（Yb）、ルテチウム（Lu）、スカンジウム（Sc）、チタン（Ti）、バナジウム（V）、クロム（Cr）、マンガン（Mn）、イットリウム（Y）、ジルコニウム（Zr）、ニオブ（Nb）、モリブデン（Mo）、ハフニウム（Hf）、タンタル（Ta）、タングステン（W）、レニウム（Re）およびそれらの同位体からなる群より選択される少なくとも１つの元素であり、
前記Xは、フッ素（F）、塩素（Cl）、臭素（Br）、ヨウ素（I）、酸素（O）、硫黄（S）、セレン（Se）、テルル（Te）、窒素（N）、リン（P）、ヒ素（As）、アンチモン（Sb）、炭素（C）、シリコン（Si）、ゲルマニウム（Ge）、ホウ素（B）およびそれらの同位体からなる群より選択される少なくとも１つの元素であり、
前記nは0.05〜20であり、
前記超伝導材料は、通常の大気圧である1気圧下において、151K以上のTcを有する、方法。
【請求項２】
前記超伝導材料は、151K以上および1気圧において反磁性である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記超伝導材料は、Tcおよび1気圧において固体である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記超伝導材料の前記Tcは、273K〜550Kである、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記超伝導材料は、ThIn（n=1.8〜2.4）、ThSn（n=0.8〜1.4）、TaCn（n=0.7〜0.95）、NbCn（n=0.75〜0.80）、TiCn（n=0.98〜1.0）、ZrCn（n=0.85〜1.0）、HfCn（n=0.8〜1.0）、及びVCn（n=0.95〜1.0）からなる群より選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記超伝導材料は、単結晶、多結晶、もしくはアモルファス、バルク、薄膜/コーティング、粉末、または単分子層からなる群より選択される形態である、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記超伝導材料は、ワイヤまたはトレースの形態である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記超伝導材料は、多面体の中心に、前記Mを有する反復構造単位または配位多面体を介して連結された層状分子配置を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記超伝導材料の超伝導状態を維持するために、いかなる外部エネルギーも印加されない、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記超伝導材料が少なくとも95重量％の純度である、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記電流が交流である、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記超伝導材料は、少なくとも透過性α‐崩壊プロセスで半減期が300年から150億年の範囲の低レベルの放射能を有するアクチニド系金属を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
超伝導材料に電気的に結合された電気入力と、
電子デバイスまたは磁気デバイスに電気的または磁気的に結合された前記超伝導材料と、
を備える製品であって、
前記超伝導材料は式MXnまたはその塩で規定され、前記Mは、トリウム（Th）、プロトアクチニウム（Pa）、ウラン（U）、ネプツニウム（Np）、プルトニウム（Pu）、アメリシウム（Am）、キュリウム（Cm）、バークリウム（Bk）、カリフォルニウム（Cf）、ランタン（La）、セリウム（Ce）、プラセオジム（Pr）、ネオジム（Nd）、サマリウム（Sm）、ユーロピウム（Eu）、ガドリニウム（Gd）、テルビウム（Tb）、ジスプロシウム（Dy）、ホルミウム（Ho）、エルビウム（Er）、ツリウム（Tm）、イッテルビウム（Yb）、ルテチウム（Lu）、スカンジウム（Sc）、チタン（Ti）、バナジウム（V）、クロム（Cr）、マンガン（Mn）、イットリウム（Y）、ジルコニウム（Zr）、ニオブ（Nb）、モリブデン（Mo）、ハフニウム（Hf）、タンタル（Ta）、タングステン（W）、レニウム（Re）およびそれらの同位体からなる群より選択される少なくとも１つの元素であり、
前記Xは、フッ素（F）、塩素（Cl）、臭素（Br）、ヨウ素（I）、酸素（O）、硫黄（S）、セレン（Se）、テルル（Te）、窒素（N）、リン（P）、ヒ素（As）、アンチモン（Sb）、炭素（C）、シリコン（Si）、ゲルマニウム（Ge）、ホウ素（B）およびそれらの同位体からなる群より選択される少なくとも１つの元素であり、
前記nは0.05〜20であり、
前記超伝導材料は、大気圧において151K以上のTcを有する、製品。
【請求項１４】
前記製品が、磁気デバイス内の超伝導磁石と、磁気センサと、コンピューティングデバイスと、コンピュータ可読記憶媒体と、単一の磁束量子素子と、エネルギー蓄積素子と、磁束ピンニングを利用したデバイスと、磁気浮上輸送システムと、連続鋳造システムと、船推進システムと、超伝導磁気エネルギー貯蔵（SMES）システムと、温度、圧力化学的、生物学的または生物医学的センサと、ケーブルまたはワイヤと、集積回路と、磁気鉱石分離用のマルチ磁石システムと、核磁気共鳴（NMR）デバイスと、磁気共鳴イメージング（MRI）デバイスと、崩壊粒子のビームライン用の超伝導四重極と、他の材料の導電性を高めるための電極材料または電極材料の複合材料と、超伝導玩具と、小型超伝導モータと、永続電流を利用したメモリ/記憶装置と、発電機または変圧器と、電気的または磁気的スイッチデバイスと、超伝導ソレノイドと、磁気流体発電機と、プラズマ閉じ込めシステムと、ジョセフソンデバイスと、広帯域通信およびレーダ用のパッシブRFまたはマイクロ波フィルタと、量子コンピューティング回路と、超伝導トンネル接合部と、核融合エネルギー発生装置と、超伝導に基づくホール効果測定システムと、超伝導体に基づく試料振動型磁力計と、超伝導体に基づく質量分析計と、超伝導テラヘルツエミッタと、超伝導論理回路を用いたコンピュータと、高多孔性またはエアロゲル材料から作製された電気回路要素またはワイヤとからなる群より選択される製品であって、
前記製品中の導電性または磁性材料の少なくとも一部が前記超伝導材料である、請求項１３に記載の製品。
【請求項１５】
前記製品は、コンピューティングデバイス、集積回路、コンピュータプロセッサ、又は量子コンピューティング回路からなる群より選択される、請求項１４に記載の製品。
【請求項１６】
前記超伝導材料は、少なくとも95重量％の純度である、請求項１３に記載の製品。
【請求項１７】
前記超伝導材料は、ThIn（n=1.8〜2.4）、ThSn（n=0.8〜1.4）、TaCn（n=0.7〜0.95）、NbCn（n=0.75〜0.80）、TiCn（n=0.98〜1.0）、ZrCn（n=0.85〜1.0）、HfCn（n=0.8〜1.0）、及びVCn（n=0.95〜1.0）からなる群より選択される、請求項１３に記載の製品。
【請求項１８】
前記超伝導材料は、298Kおよび1atmで測定したときに非常に低い抵抗率を有し、前記非常に低い抵抗率は、33.6nΩ・cm以下で、銅の抵抗率の1/50である、請求項１３に記載の製品。
【請求項１９】
抵抗なく電気を伝導させる方法であって、
前記方法は、電流を生成するステップと、試料サイズが7.8mm×2.6mm×1.5mm以外の超伝導材料に50mAから100mA以外の電流を大気圧下で流すステップと、を有し、
前記超伝導材料は、式MXnで規定され、前記Mは、トリウム（Th）であり、前記Xは、硫黄（S）、ヨウ素（I）、窒素（N）、炭素（C）、ホウ素（B）およびそれらの同位体であり、
前記nは0.05〜20であり、
超伝導材料は、大気圧において151K以上のTcを有する、方法。
【請求項２０】
前記超伝導材料はThSnであり、前記nは0.8〜１.4であり、前記超伝導材料は導電層を有し、前記超伝導材料は等方性を有し、前記導電層上の各トリウムカチオンは{111}結晶族平面の層群を共有し、すべてのThカチオンがそれらの間で三次元ネットワーク相互作用を形成する、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導体に関し、特に、高温超伝導体に関する。
【０００２】
［関連出願の相互参照］
本出願は、2016年3月22日に出願された米国特許出願15/077,683号の一部継続出願である。先の出願は、参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
1911年に転移（臨界）温度（Tc）が4.2KであるHgにおける超伝導現象が発見されて以来、より高いTcを有する超伝導体を探求する研究が約75年間にもわたってゆっくりと進行した（図１参照）。このゆっくりとした進歩は、1986年にいわゆる第２種超伝導材料のランタン系銅酸化物ペロブスカイトセラミックスにおける超伝導の革新的な発見により中断された。この研究の詳細については、非特許文献１に記載されており、参照により本明細書に組み込まれる。この発見により、Tcは77Kのマイルストーン、すなわち液体窒素の沸騰温度を凌ぐようになり、このことは非特許文献２に報告されており、参照により本明細書に組み込まれる。1995年に、銅酸化物ペロブスカイトセラミックスのTcは、カチオン及び/又はアニオンを介して138K付近にまでさらに上昇し、これは、これまで世界的に認識されているTcの世界最高記録であり、放射、電場、又は余分な圧力といった外部エネルギーを化合物に印加することによって得られるTcを排除するものである。この研究は、典型的には非特許文献３に記載されており、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００４】
第２種超伝導が発見されてから30年が経過した。他の２つの重要なマイルストーン、すなわち水の融点（273K）および室温（298K）を超えることを期待して、さらに高いTcの超伝導材料を作製するための多大な努力がなされている。関連する研究が非特許文献４、特許文献１、特許文献２に記載されており、これらの文献は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００５】
外部からの光刺激を介したある種の銅酸化物ペロブスカイトの研究では、室温超伝導が可能であることが示されたが、報告された準安定超伝導状態が数ピコ秒以内であり、実用化の面では短すぎるので、異なる実験によって再確認する必要がある。理論的に言えば、このような超短寿命の超伝導状態は、その存在を確認するための他の実験を非常に困難にする。この光放射誘起の高温超伝導についての詳細は、非特許文献５〜８に記載のとおりであり、これらは参照により本明細書に組み込まれる。
【０００６】
Tcが上述した273Kおよび298Kのマイルストーンの一方または両方を上回ることができる安定した超伝導材料を有することは非常に重要である。技術的に言えば、上述した２つの温度指標よりもはるかに厳しい要件が求められ、低電力用途では超伝導体のTcは最高350Kとなる必要があり、高電力用途ではTcは450Kを上回る必要があり、非特許文献９において、このことが記載されており、参照により本明細書に組み込まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第5,126,319号
【特許文献２】米国特許出願公報第2002/0006875A1号
【特許文献３】米国特許出願公報第2012/0035057A1号
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Bednorz, J. G.およびMuller, K. A.による“Possible High Tc Superconductivity in the Ba-La-Cu-O System” Z. Phys. B 64, 189 (1986)
【非特許文献２】Wu, M. Kらによる“Superconductivity at 93 K in a New Mixed-Phase Y-Ba-Cu-O Compound system at Ambient Pressure”, Phys. Rev. Lett, 58 (9) 908 (1987)
【非特許文献３】Dai, P.らによる“Synthesis and neutron powder diffraction study of the superconductor HgBa2Ca2Cu3O8+δ by Tl substitution”, Physica C243, 201 (1995)
【非特許文献４】Kawashima, Y.による“Possible room temperature superconductivity in conductors obtained by bringing alkanes into contact with a graphite surface”, AIP Adv. 3, 052132 (2013)
【非特許文献５】Mankowsky, R.らによる“Nonlinear lattice dynamics as a basis for enhanced superconductivity in YBa2Cu3O6.5”, Nature 516, 71-73 (2014)
【非特許文献６】Hu, W.らによる“Optically enhanced coherent transport in YBa2Cu3O6.5 by ultrafast redistribution of interlayer coupling”, Nature Mater. 13, 705-711 (2014)
【非特許文献７】Kaiser, Sらによる“Optically induced coherent transport far above Tc in underdoped YBa2Cu3O6+δ”, Phys. Rev. B 89, 184516 (2014)
【非特許文献８】Fausti, D.らによる“Light-Induced Superconductivity in a Stripe-Ordered Cuprate”, Science 331, 189-191 (2011)
【非特許文献９】Mourachkine, A.による“Room-Temperature Superconductivity”, Cambridge International Science Publishing (2004)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本開示は、アクチニドとランタニド（希土類）系列の金属化合物の群を、151K以上の電気的な超伝導特性を有するいくつかの遷移金属元素と共に用いて、室温（298K）以上の超伝導転移（臨界）温度（Tc）に到達する可能性のある方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本明細書に開示されたMXnの式に従って構成された化合物のうちのいくつかは、過去に様々なまたは未知の純度で作製されたが、これらの超伝導特性は未だに実現されていない。トリウム化合物の合成については、典型的には、Clark, R. J.およびCorbett, J. Dによる“Preparation of Metallic Thorium Diiodide”, Inorg. Chem. 2, 460 (1963)に記載されており、参照により本明細書に組み込まれ、ここに記載された参考文献によれば、トリウム化合物について1949年まで追跡することができる。したがって、本明細書の開示は、高温超伝導、および高温超伝導材料を組み込んだデバイス、システム、又は他の応用を実現するという別の目的のために、これらの化合物を利用することに着目する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】超伝導転移（臨界）温度Tcの時代推移を絶対温度（ケルビン：K）でプロットすることにより超伝導体の開発の歴史を示す図である。
【図２Ａ】[ThI6]構造ユニットの幾何を示す3次元図であり、反三角柱形（anti-Pris）を示す。（Guggenberger, L. J.およびJacobson, R. A.による“The Crystal Structure of Thorium Diiodide”, Inorg. Chem. 7, 2257 (1968)に記載されており、参照により本明細書に組み込まれる。）
【図２Ｂ】[ThI6]構造ユニットの幾何を示す3次元図であり、三角柱形（Pris）を示す。（Guggenberger, L. J.およびJacobson, R. A.による“The Crystal Structure of Thorium Diiodide”, Inorg. Chem. 7, 2257 (1968)”に記載されており、参照により本明細書に組み込まれる。）
【図３】[ThI6]ユニットの2つの幾何の結晶構造ユニットセルを示す3次元図であり、anti-PrisおよびPrisは、Z軸に沿って交互に積層する。（Guggenberger, L. J.およびJacobson, R. A.による“The Crystal Structure of Thorium Diiodide”, Inorg. Chem. 7, 2257 (1968)に記載されており、参照により本明細書に組み込まれる。「X」、「Y」、「Z」は、この論文で使用されているのと同じ構造を説明するために3つの横座標に使用される。本明細書の他の図面においては、「a」、「b」、「c」軸に基づく結晶学の慣例に従い、「a軸」はX軸の方向を、「b軸」はY軸の方向を、「c軸」はZ軸の方向を定義する。）
【図４Ａ】図３に示すThI2の六方晶のユニットセルの結晶軸（c軸）に沿った個々の層のそれぞれに対して、原子の幾何配置の配向を示し、トリウム（Th）カチオンのセル位置（x、y、z）は（2/3,1/3,3/4）である。
【図４Ｂ】図３に示すThI2の六方晶のユニットセルの結晶軸（c軸）に沿った個々の層のそれぞれに対して、原子の幾何配置の配向を示し、トリウム（Th）カチオンのセル位置（x、y、z）は（0,0,1/2）である。
【図４Ｃ】図３に示すThI2の六方晶のユニットセルの結晶軸（c軸）に沿った個々の層のそれぞれに対して、原子の幾何配置の配向を示し、トリウム（Th）カチオンのセル位置（x、y、z）は（1/3,2/3,1/4）である。
【図４Ｄ】図３に示すThI2の六方晶のユニットセルの結晶軸（c軸）に沿った個々の層のそれぞれに対して、原子の幾何配置の配向を示し、トリウム（Th）カチオンのセル位置（x、y、z）は（0,0,0）である。
【図５Ａ】図４Ａにおける各層の接続を相対的に4つのユニットセルに拡張し、ThI2の層状のエッジ共有特性を示す3次元図である。
【図５Ｂ】図４Ｂにおける各層の接続を相対的に4つのユニットセルに拡張し、ThI2の層状のエッジ共有特性を示す3次元図、および4つの[ThI6]ユニットの4つのセル接続のエッジ共有の特徴をさらに視やすくするための平面図である。
【図５Ｃ】図４Ｃにおける各層の接続を相対的に4つのユニットセルに拡張し、ThI2の層状のエッジ共有特性を示す3次元図である。
【図５Ｄ】図４Ｄにおける各層の接続を相対的に4つのユニットセルに拡張し、ThI2の層状のエッジ共有特性を示す3次元図、および4つの[ThI6]ユニットの4つのセル接続のエッジ共有の特徴をさらに視やすくするための平面図である。
【図６】典型的なThS（NaCl構造）の配置を示す3次元図であり、｛111｝面上の層の特徴を示し、トリウムカチオン（Th）の層と硫黄アニオン（S）の層が交互に充填される。
【図７Ａ】1つのトリウムカチオン（Th）が周囲の硫黄アニオン（S）から構成される八面体に包囲される状態を描写するために、硫黄アニオン（S）を表す６個の固体球を、中空の球（硫黄を表す）で置換したThSの結晶構造を示す3次元図である。
【図７Ｂ】図7Ａにおける個々の[ThS6]の八面体の構造ユニットの3次元図である。
【図８】[ThS6]のエッジ共有の八面体ユニットを有するThSの幾何配置を示す3次元図である。
【図９】例示的なコンピューティングデバイスの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本明細書で開示される一実施形態において、「安定的」材料は、151Kから室温（298K）以上、例えば、（大気圧下で）350K〜450K、273K〜550Kにおいて、抵抗なしで電気を通電させる、あるいは磁場を供給するために用いられる。ここで、「安定的」という用語は、必ずしも化学的に安定であるとは限らず、安定的な超伝導状態を意味する。換言すれば、当該材料は、空気や湿気に敏感であるといったように化学的に不安定であっても、大気圧下で温度がTc以下である限り、放射線、電場、余分な圧力などの外部エネルギーによらずに、超伝導状態を安定的に維持しなければならない。YBa2Cu3O6.5における光誘起高温超伝導がMankowsky, R.らによる“Nonlinear lattice dynamics as a basis for enhanced superconductivity in YBa2Cu3O6.5”, Nature 516, 71-73 (2014)およびHu, W.らによる“Optically enhanced coherent transport in YBa2Cu3O6.5by ultrafast redistribution of interlayer coupling”, Nature Mater. 13, 705-711 (2014)にて報告されており、これらは参照により本明細書に組み込まれる。HgBa2Can-1CunO2n+2+δ(n=l, 2, 3)における圧力により強化された超伝導がHunter, B. A.による“Pressure-induced structural changes in superconducting HgBa2Can-1CunO2n+2+δ(n=l, 2, 3) compounds”, Physica C 221 1 (1994)にて研究されており、参照により本明細書に組み込まれる。硫化水素または硫黄水素化物（H2S）における超高圧で発生する超伝導は、Li, Y.らによる“The metallization and superconductivity of dense hydrogen sulfide”, J. Chem. Phys. 140 (17) 174712 (2014)および Drozdov, A. P.らによる“Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system”, Nature 525, 73 (2015)にて提示されており、これらの両方とも参照により本明細書に組み込まれる。
【００１３】
本開示の材料は、エネルギー効率および/または速度の向上、経済的な方法により高い磁束の生成、または低温部品を排除することによるシステム設計の簡素化を可能にする、様々な電子または磁気製品に提供することができる。この材料は、開示された材料の高温超伝導特性を利用する他の用途において用いられてもよい。
【００１４】
一般に、本開示におけるランタニド系および遷移金属から作製された金属化合物または塩は、放射性が非常に低い、あるいは全くないので、放射能による害についての懸念はない。
【００１５】
一実施形態では、本明細書にて開示されるアクチニド系の金属化合物または塩は、あるレベルの放射性を有するため、研究および電子デバイスにおいて使用される可能性は低い。しかしながら、99.98％の天然存在度を有する同位体トリウム232の半減期が少なくとも透過性のあるα−崩壊を通して140億5,000万年を超えるため、本明細書に開示される実施形態では、トリウム化合物または塩は放射性が低レベルになるように選択することができる。このレベルは、同じくα−崩壊を介した半減期がたったの432.6年の同位体アメリシウム241を含む家庭用電離煙感知器よりもはるかに低い。したがって、一実施形態では、超伝導材料は、半減期が300〜150億年、例えば1,000〜1億年、または10,000〜100万年の金属を含むように選択することができ、それぞれの場合において、金属の放射能は透過性が最も低いα−崩壊プロセスを介する。
【００１６】
ここで、151Kは、本開示の超伝導体のTcの下限として定義する。というのも、これまで報告されている安定した超伝導体では、常圧（1気圧）でこの指標に達するTcを有していないからである。言い換えれば、これらの材料または化合物の高温超伝導状態は、これに限定されるわけではないが、外部放射を介してエネルギーを加えることによって得られることを必要とせず、また、短時間で過渡的にしか存在しないものでもない。また、高温超伝導状態は、大気圧で存在し、付加的なの外部圧力を印加する必要がないことを意味する。
【００１７】
化学式または化合物の組成は、MXnにより表わされる。ここで、Mは、アクチニド元素、すなわちトリウム（Th）、プロトアクチニウム（Pa）、ウラン（U）、ネプツニウム（Np）、プルトニウム（Pu）、アメリシウム（Am）、キュリウム（Cm）、バークリウム（Bk）、カリフォルニウム（Cf）、およびこれらの同位体から選択される少なくとも１つである。また、Xは、フッ素（F）、塩素（Cl）、臭素（Br）、ヨウ素（I）、酸素（O）、硫黄（S）、セレン（Se）、テルル（Te）、窒素（N）、リン（P）、ヒ素（As）、アンチモン（Sb）、炭素（C）、シリコン（Si）、ゲルマニウム（Ge）、ホウ素（B）およびこれらの同位体から選択される少なくとも１つである。一実施形態では、nは0.05〜20、例えば0.1〜10、または0.2〜5の範囲の値である。
【００１８】
アクチニドとランタニド（希土類）との間の化学的類似性のために、希土類からの元素もまた本発明に含まれ、したがって、Mは、ランタン（La）、セリウム（Ce）、プラセオジム（Pr）、ネオジム（Nd）、サマリウム（Sm）、ユーロピウム（Eu）、ガドリニウム（Gd）、テルビウム（Tb）、ジスプロシウム（Dy）、ホルミウム（Ho）、エルビウム（Er）、ツリウム（Tm）、イッテルビウム（Yb）、ルテチウム（Lu）およびこれらの同位体も含む。
【００１９】
いくつかの遷移金属化合物は、アクチノイド塩と同様の電磁気特性を示す。これらの遷移金属化合物の特性は、化学量論に対して非常に敏感である。例えば、TaC0.8（n=0.8）とNbC0.8（n=0.8）は、室温で導電性と反磁性の共存を示し、反磁性の特性はn値のわずかな変化で劇的に変化する。金属炭化物のこの磁気特性は、Toth, L. E.による“Transition Metal Carbides and Nitrides”, Academic Press Vol. 7, (1971)に記載されており、参照により本明細書に組み込まれる。したがって、これらの遷移元素は、高Tc超伝導体を構築する候補であるMXnの上記の式のMに割り当てられる。これらの遷移金属は、スカンジウム（Sc）、チタン（Ti）、バナジウム（V）、クロム（Cr）、マンガン（Mn）、イットリウム（Y）、ジルコニウム（Zr）、ニオブ（Nb）、モリブデン（Mo）、ハフニウム（Hf）、タンタル（Ta）、タングステン（W）、レニウム（Re）およびこれらの同位体である。一実施形態では、複数のタイプのMカチオン（アクチニドおよび/またはランタニドおよび/または初期遷移金属）、および/または、複数タイプのXアニオン（非金属）を構築することができる。別の実施形態では、超伝導材料は、ThIn（n=1.8〜2.4）、ThSn（n=0.8〜1.4）、TaCn（n=0.7〜0.95）、NbCn（n=0.75〜0.80）、TiCn（n=0.98〜1.0）、ZrCn（n=0.85〜1.0）、HfCn（n=0.8〜1.0）、VCn（n=0.95〜1.0）である。
【００２０】
本発明の一実施形態は、トリウム（Th）塩の結合によって例示される。本開示は、これらの化合物に焦点を当てているが、この議論は、本開示の全ての実施形態をTh化合物のみに限定することを意図するものではない。
【００２１】
導電性トリウム塩の大部分が1960年代あたりに合成された。例えば、ThI2については、Clark, R. J.およびCorbett, J. D.による“Preparation of Metallic Thorium Diiodide”, Inorg. Chem. 2, 460 (1963)を参照されたい。ThSについては、Eastman, E. D.らによる“Preparation and Properties of the Sulfides of Thorium and Uranium”, J. Am. Chem. Soc. 72, 4019 (1950)、Tetenbaum, M.による“Thermoelectric Properties of Uranium Monosulfide, Thorium Monosulfide, and US-ThS Solid Solutions”, J. Appl. Phys. 35, 2468 (1964)、Shalek, P. D.による“Preparation and Properties of Uranium and Thorium Monosulfides”, J. Am. Ceram. Soc. 46, 155 (1963)、Samsonov, G. V.およびDubrovskaya, G. N.による“THE PREPARATION OF CERTAIN SULFIDES OF THORIUM BY THE INTERACTION OF ThO2 WITH HYDROGEN SULFIDE”, Atomnaya Energiya 15, 428 (1963)、ならびにEastman, E. D.らによる“Preparation and Properties of the Oxide-Sulfides of Cerium, Zirconium, Thorium and Uranium”, J. Am. Chem. Soc. 73, 3896 (1950)を参照されたい。炭化トリウム、窒化トリウム、炭窒化トリウムについては、Aronson, S.およびAuskern, A. B.による“Magnetic Susceptibility of Thorium Carbides, Nitrides, and Carbonitrides”, J. Chem. Phys. 48, 1760 (1968)、ならびにAuskern, A. B.および Aronson, S.による“Electrical Properties of Thorium Carbonitrides”, J. Appl. Phys. 41, 227 (1970)を参照されたい。ホウ化トリウムについては、Auskern, A. B.およびAronson, S.による“Electrical Properties of Thorium Borides”, J. Chem. Phys. 49, 172 (1968)を参照されたい。これらの文献は、参照により本明細書に組み込まれる。室温および大気下における高い電気伝導特性に加えて、独特な特性の１つとして、周辺条件、すなわち室温および１気圧下における反磁性である。関連する参考文献は、Clark, R. J. およびCorbett, J. D.による“Preparation of Metallic Thorium Diiodide”, Inorg. Chem. 2, 460 (1963)、Eastman, E. D.らによる“Preparation and Properties of the Sulfides of Thorium and Uranium”, J. Am. Chem. Soc. 72, 4019 (1950)、Auskern, A. B.およびAronson, S.による“Electrical Properties of Thorium Borides”, J. Chem. Phys. 49, 172 (1968)、ならびにAuskern, A. B.およびAronson, S.による“Electrical Properties of Thorium Borides”, J. Chem. Phys. 49, 172 (1968)であり、これらは参照により本明細書に組み込まれる。この導電性と反磁性との共存は、通常、超伝導体に特有であるが、通常の導体はこれらの特性を有しない。さらに、本開示における用語、「周辺条件」は、298Kの室温および1気圧の常圧を意味する。
【００２２】
上述した、周辺条件（化合物が特徴づけられる条件）下における導電性および反磁性の特性の共存という独特の特徴は、この化合物群が少なくとも室温で超伝導状態に到達すべきであることを示している。言い換えると、これらのトリウム化合物は、周辺条件下で、高い導電率と反磁性との共存という独特な特性のために、室温および大気圧下で超伝導状態を達成する。
【００２３】
一実施形態では、高密度超伝導材料は、0.00125g/cm3から22g/cm3、例えば0.014g/cm3から20g/cm3の密度を有する。別の実施形態では、化合物MXnの密度範囲は、0.05g/cm3から20g/cm3、1g/cm3から18g/cm3、または3g/cm3から15g/cm3である。試料の密度の測定には、試料の重量を取得し、それを測定した試料の体積で割るという典型的な方法を用いることができる。試料の体積は、それが規則的な形状にある場合には、その寸法を測定することにより決定することができ、または液体置換法を用いて決定することができる。試料の密度を決定する別の方法として、試料の結晶構造を用いる方法が挙げられる。結晶の格子セルの体積を知ることは明らかであり、セル内の試料の質量は、結晶構造の原子配置によって得ることができる。したがって、密度は、その質量をセル内の体積で割ることによって導き出すことができる。例えば、ThSの結晶構造を用いた計算では、9.624g/cm3の密度が得られた。上記の計算に使用される結晶情報は、Eastman, E. D.らによる“Preparation and Properties of the Sulfides of Thorium and Uranium”, J. Am. Chem. Soc. 72, 4019 (1950)に記載されており、参照により本明細書に組み込まれる。
【００２４】
超伝導材料の多孔性は、超伝導体の適用分野を増加させる可能性を生み出す。炭素-炭素結合によって作られるエアロゲルの一種であるエアログラフェン（Aerographene）は、その密度を0.00016g/cm3に低下させることができる高多孔質構造を有する。これは、炭素の基本構成単位と比較して、99.993％の多孔度である。この研究の関連報告は、Farrell, D.による“Graphene sponge becomes lightest material on earth”, vr-zone.com, retrieved September 7 (2013)からオンラインで入手可能であり、参照により本明細書に組み込まれる。この種の高多孔質構造を生み出すプロセスは、この開示における超伝導材料に適用することができ、したがって適用範囲を拡大することができる。一実施形態では、本開示における超伝導材料は、水銀圧入ポロシメトリーによって測定すると、0％〜27.9％および28.1％〜99％、例えば0.001％〜25％、0.1％〜20％、50％〜98％、90％〜95％の多孔性である。
【００２５】
トリウム化合物の構造的特徴に関する調査も実施した。それらのX線結晶構造解析結果を分析し、特に、二ヨウ化トリウム（ThI2）および一硫化トリウム（ThS）について分析した。Thl2の単結晶X線結晶構造解析の詳細については、Guggenberger, L. J.およびJacobson, R. A.による“The Crystal Structure of Thorium Diiodide”, Inorg. Chem. 7, 2257 (1968)を参照されたく、立方晶のNaCl型構造のThSの報告については、Eastman, E. D.らによる“Preparation and Properties of the Sulfides of Thorium and Uranium”, J. Am. Chem. Soc. 72, 4019 (1950)、ならびにDidchenko, R.および Gortsema, F. P.による“Magnetic and Electric Properties of Monosulfides and Mononitrides of Thorium and Uranium”, Inorg. Chem. 2, 1079 (1963)を参照されたく、これらは参照により本明細書に組み込まれる。図２〜８は、これらの参考文献の分析の詳細を開示する。図２、３はGuggenbergerから再プロットしたものである。図４Ａ〜５Ｄは、Guggenbergerの情報の再プロットに基づく。図６〜８は、EastmanおよびDidchenkoの情報に基づいてプロットされたものである。
【００２６】
ThI2は、0.397nmのa軸および3.175nmの例外的に長いc軸を有する六方格子の空間群P63/mmcにて結晶化する。c軸が長い理由は、各Thカチオンが、2つの幾何、すなわち反三角柱形（anti-Pris）と三角柱形（Pris）で6個のIアニオンによって囲まれているからである（図２および図３を参照）。各六角形のセルは、交互に充填されたc軸に沿う4つの層、すなわち、anti-Pris/Pris/ anti-Pris/Prisからなる（図３を参照）。結晶構造のユニットセルにおける、それらの対の三角柱形（Pris）または反三角柱形（anti-Pris）は、それぞれ（0001）平面上の異なるセル位置および異なる配向に位置する。すなわち、異なるxおよびyを有する三角柱形（あるいは反三角柱形）の原子は、その格子における対のうち別の三角柱形（あるいは反三角柱形）に対して、異なるxおよびyを有する。ユニットセルおよびその個々の[ThI6]構造を層ごとに再プロットし、各層におけるプロットを4つのユニットセルに拡張した（図４Ａ〜図５Ｄを参照）。4つのセルのプロットは、反三角柱形または三角柱形の[ThI6]構造ユニットのいずれかの共通のエッジを結合することにより平面構造を示し、c軸に平行な平面上にある2次元の層状結合を構築する。この層状のエッジの共有接続という同様の構造的特徴は、他の超伝導体の結晶構造の充填型においても観察されている（Mankowsky, R.らによる“Nonlinear lattice dynamics as a basis for enhanced superconductivity in YBa2Cu3O6.5”, Nature 516, 71-73 (2014)、Hu, W.らによる“Optically enhanced coherent transport in YBa2Cu3O6.5 by ultrafast redistribution of interlayer coupling”, Nature Mater. 13, 705-711 (2014)、Kaiser, S.らによる“Optically induced coherent transport far above Tc in underdoped YBa2Cu3O6+δ”, Phys. Rev. B 89, 184516 (2014)、Bednorz, J. G.およびMuller, K. A.による“Possible High Tc Superconductivity in the Ba-La-Cu-O System”, Z. Phys. B 64, 189 (1986)、ならびに 米国特許第8,435,473 B2号を参照されたく、これらは参照により本明細書に組み込まれる）。これはThI2が超伝導材料としての構造基準を満足することをさらに示す。
【００２７】
ThSは、ThI2と同様の電磁気特性を有するが、その結晶構造は立方晶であり（図６〜８を参照）、塩化ナトリウム（NaCl）の充填と同じであり、a=0.568nmである。その結晶構造は、また、<110>方向に沿った二次元の層状結合を示し、[ThS6]八面体の構造ユニットによって集合したエッジ共有（edge-sharing）の特徴を有する。ThS化合物のためのこの結晶学上の層状充填の特徴もまた、超伝導体としての構造要求を満たすものである。
【００２８】
ヨウ化物および硫化物の代わりに、比較的高温、すなわち151K以上のアクチニド化合物、特にトリウム化合物に関連する導電性および反磁性の共存も、それらの炭化物、窒化物、ホウ化物など、ならびに炭窒化物といったこれらの組み合わせにおいて見出すことができる。これらの化合物も、本発明の高温超伝導材料の候補になり得る。
【００２９】
ThC0.78N0.22は超伝導体であると報告されているが、参照により本明細書に組み込まれるShein, I. R.らによる“Electronic structure and stability of thorium carbonitrides”, Phys. Stat. Sol. (b) 244, 3198 (2007)にて探索されたように、Tcは約5.8Ｋと低すぎる。この化合物は、151K以上で、導電性と反磁性との共存性を有していない。したがって、この化合物は、その分子式が本開示に記載されるMXnの組成に含まれるとしても、本明細書に開示される超伝導体から除外される。換言すれば、上記したMXnという化学式に適合し、かつ、そのTcが151K以上である化合物のみが本明細書に開示された超伝導体に属する。さらに、化合物ThC0.78N0.22は、M=Th、X=C0.78N0.22（すなわち二成分のアニオン）、n=0.78+0.22=1として、MXnの化学式に整合する。
【００３０】
トリウム塩の超伝導特性に関する別の研究は、参照により本明細書に組み込まれるMaurice, V.らによる“Low temperature specific heat of rocksalt thorium compounds”, J. De Physique C4-140 (1979)にて提案されているようなThC0.6N0.4に関する。この著者らによれば、この化合物は3.8〜4.2KのTcにて、遅い超伝導転移を示す。Tcに向かって冷却すると、その電気抵抗率は4.2Kから劇的に低下する一方で、3.8Kにて、その磁気特性は反磁性に変化し、超伝導状態に完全に転移する明確な兆候を示す。この化合物のTcは、低すぎるので、本発明の候補から除外されるが、この参考文献は当業者がTcを決定するために反磁性特性をどのように使用したかを示す。
【００３１】
一実施形態では、超伝導材料は、室温（298K）および大気圧、すなわち1気圧において固体である。一実施形態では、材料の超伝導状態は、超伝導特性を維持するために、外部から印加されるエネルギー（例えば、高圧または放射/電場など）を必要としないという点で、周辺条件においても安定的である。一実施形態では、超伝導材料は、単結晶、多結晶、若しくはアモルファス、バルク、薄膜/コーティング、粉末、または単一分子層からなる群から選択される形態である。一実施形態では、超伝導材料は、ワイヤ、トレース、または他のタイプの形態である。一実施形態では、超伝導材料は、98.5％〜99.9％といった、少なくとも98％純度である。別の実施形態では、超伝導材料は、96％〜99％といった、少なくとも95％の純度である。
【００３２】
本明細書に開示された材料を利用する方法は、抵抗のない材料、または銅の抵抗率の50分の1もしくは、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第8,404,620 B2号およびWu, M. Kらによる“Superconductivity at 93K in a New Mixed-Phase Y-Ba-Cu-O Compound system at Ambient Pressure”, Phys. Rev. Lett. 58 (9) 908 (1987)により定義される33.6nΩ・cm以下の装置の感度の上限といった非常に低い抵抗率の材料に電気を通すことを含む。さらに、上述した電気は、電子デバイスに、又は電子デバイス内で、効率的に電力を供給するために、電子デバイス内で伝導する。電流は、交流または直流であってよい。
【００３３】
一実施形態では、電流は、超電流であってもよく、2465A/m2〜4931A/m2以外の電流密度、および/または7.8mm×2.6mm×1.5mm以外の試料サイズを有する。臨界電流密度の上限は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第6,586,370 B1号に記載されているように、1,000,000kA/m2を超えてもよい。一実施形態では、超伝導材料を通過する臨界電流密度は、少なくとも5,000,000kA/m2である。一実施形態では、電流密度は0.001A/m2〜2460A/m2および/または3000A/m2〜5,000,000kA/m2であり、例えば0.01A/m2〜2000A/m2、または0.1A/m2〜100A/m2のような、および/または10kA/m2〜1000kA/m2、または20,000kA/m2〜2,000,000kA/m2である。一実施形態では、超伝導材料を通過する電流は、10pA〜49mAおよび/または101mA〜10kA、例えば、5mA〜40mA、10mA〜35mAおよび/または150mA〜5kA、または1A〜1kAといった1pA〜100mA以外である。超伝導材料は、例えば、1nm3〜900μm3および/または0.001mm3〜30mm3および/または31mm3〜900m3、例えば0.01mm3から25mm3、または0.1mm3から20mm3および/または35mm3〜10m3、または40mm3〜1m3といった体積を有することができる。
【００３４】
一実施形態では、本開示の超伝導体は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第6,586,370 B1号に記載されているように、5テスラ（T）以上の臨界磁場を有する。一実施形態では、臨界磁場は21Tまたは100Tであることが期待される。一実施形態では、本開示における超伝導体の臨界磁場は、500Tほど高くてもよい。
【００３５】
ほとんどの第２種高温超伝導体は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第6,586,370B1号およびMourachkine, Aによる“Room-Temperature Superconductivity”, Cambridge International Science Publishing (2004)に記載のように層状構造であり、それ故、異方性が強い。これは、これらの第２種超伝導体のみが、固有の層状構造の特徴により閉じ込められるようないくつかの方向に流れる超電流を可能にすることを意味する。一実施形態では、本開示の超伝導材料は等方性を有するので、この化合物を流れる超電流は、必ずしも典型的な第２種超伝導体に示されるような2次元層に閉じ込められることを必要としない。このことは、等方的なタイプの超伝導体を、多くの用途において、特に高電流密度を必要とする用途において、または電流が物体の3次元もしくは全方向に流れる必要がある場合に、層状の第２種超伝導体よりも有利にする。一実施形態では、ThSは、導電層上の各トリウムカチオンが｛111｝結晶族平面の群層を共有するので、等方的に電流を伝導させる性質を有し得る。これは、Thカチオンが（111）、（1 -1 1）、（1 -1 -1）、（-1 1 1）等といった｛111｝族の平面に関連付けられた異なる方向を定義するすべての平面に属することを意味する。トリウムカチオンは、3次元的ネットワーク構造の特徴を有する。
【００３６】
別の実施形態では、本明細書に開示された材料を利用する方法は、磁場を提供するために少なくとも151Kの温度にて本明細書に開示される材料を利用することを含む。この磁場は、磁気的または磁気的な誘起効果を効率的にデバイスに提供するために、MRIなどのデバイスにおいて使用される。特定の装置またはシステムは、磁気的および電子的な相互作用の両方を含むことができる。
【００３７】
本明細書に開示された材料および方法は、一般に電子デバイスおよび/または磁気コンポーネントを有するデバイスを含む、様々な電子製品およびシステムにおいて使用することができる。
【００３８】
材料の超伝導特性を利用することに関連する応用は限りないが、そのような製品およびそれらを組み込んだシステムのいくつかの具体例のみが含まれる：
【００３９】
１．超伝導材料を低温に冷却する必要がなく、低温部品を取り除いた後のエネルギー効率、システムの小型化、経済性において大幅な改善を可能にする超伝導磁石。
【００４０】
２．磁気センサ、およびこれを含む超伝導量子干渉計（SQUID）などのデバイス。 室温超伝導体の適用は、低温部品を有さずにこの磁力計の性能を高めることができる。
【００４１】
３．高速、低消費電力回路の論理回路として使用されるような単一磁束量子素子（SFQ）。
【００４２】
４．エネルギー貯蔵装置、例えば摩擦フリーフライホイール型蓄電システム。
【００４３】
５．磁束ピン止めを利用するデバイスは、例えば現在のデバイスよりも100倍効率のよい水洗浄システムで使用できる非常に高い磁場を生成することができる。このようなデバイスは、超伝導体に磁気的に結合された永久磁石を含む。
【００４４】
６．超高速列車のような磁気浮上輸送システム（MEGLEV）は、603km/hの最高速度を記録し、電車の上に強力な超伝導電磁石を備えた電磁サスペンションを介して永久磁石案内面上を浮く。冷媒システムを使用しない場合、室温超伝導材料の適用は、列車のスペースを節約するだけでなく、MEGLEVのエネルギー効率を高めることができる。
【００４５】
７．製鋼工場の連続鋳造システム。
【００４６】
８．船舶推進システム用の高出力モータ。
【００４７】
９．超伝導磁気エネルギー貯蔵（SMES）システム。
【００４８】
１０．物理的（例えば、温度、圧力）、化学的、生物学的、生物医学的（科学的および防衛的）センサなどの他のセンサへの応用。
【００４９】
１１．エネルギー損失のない電送用のケーブルまたはワイヤ。
【００５０】
１２．集積回路への応用のために、過剰な熱の発生を回避する。
【００５１】
１３．異なるコンポーネントを相互接続する、超伝導線を用いたプロセッサチップまたは回路。このような方法で超伝導材料を用いることにより、データの処理速度を著しく加速し、一般に、回路の性能を大幅に向上させる。
【００５２】
１４．磁気鉱石を分離するために用いられるマルチ磁石システム。
【００５３】
１５．核磁気共鳴（NMR）および磁気共鳴イメージング（MRI）。室温超伝導体を用いる場合、低温に冷却することなく、高磁場を発生させることができる。
【００５４】
１６．崩壊粒子のビームラインに用いられる超伝導四重極。
【００５５】
１７．他の材料の導電性を高めるための電極材料または電極材料の複合材料。
【００５６】
１８．超伝導玩具。
【００５７】
１９．小型超伝導モータ。これらは、騒音性や汚染性のあるエンジンを置き換えることができる。
【００５８】
２０．バリスティック超伝導ランダムアクセスメモリ（RAM）または永続電流記憶装置のようなメモリ/記憶装置。
【００５９】
２１．小型の発電機および変圧器。これらは非常に効率的に可動できる。
【００６０】
２２．長距離送電（p=0）。
【００６１】
２３．スイッチングデバイスは、転移温度Tcに基づいて、温度変化を監視する方法により設計することができる。Tcに近づくと、超伝導体の特性は劇的に変化し、これに起因し、変化を感知した後にスイッチングを行う。
【００６２】
２４．超伝導ソレノイド。
【００６３】
２５．火力発電所、水力発電所、タービン駆動の再生可能発電所で用いられるような磁気誘導によるエネルギー変換または発電システムに使用されるマグネット。
【００６４】
２６．磁気センサ、グラジオメータ、オシロスコープ、デコーダ、アナログ-デジタル変換器、発振器、マイクロ波増幅器などのジョセフソンデバイス。
【００６５】
２７．広帯域通信およびレーダ用の受動RFおよびマイクロ波フィルタ。従来のフィルタに比べて、ノイズが非常に低く、選択性と効率が大幅に向上する。
【００６６】
２８．量子コンピューティング回路。
【００６７】
２９．非常に薄い絶縁体層を有する２つの超伝導体を接合することにより作製される超伝導トンネル接合（STJ）は、100GHz〜1000GHzの周波数の範囲において最も感度の高いヘテロダイン受信機である。
【００６８】
３０．核融合エネルギー発生装置。
【００６９】
３１．ホール効果測定システムに用いられる磁石を構築する際に室温超伝導体を適用すると、効率を大幅に増加させ、システムの重量およびサイズを大幅に低減する。
【００７０】
３２．磁気モーメントや保磁力などの試料の磁気特性を測定するために用いられる試料振動型磁力計（VSM）用の磁石を構築する際の室温超伝導体の応用。
【００７１】
３３．エアロゲルのような高多孔性材料を調製する際に室温超伝導体を適用することにより、より良い熱散逸を可能にするといったいくつかの利点を有する電気回路またはワイヤを構築することができる。
【００７２】
３４．質量分析法。室温超伝導体は、化学分析のための電荷対質量比に従って、正の光線を分離する質量分析計の電磁場を生成するために利用することができる。
【００７３】
３５．テラヘルツ技術。
【００７４】
テラヘルツ技術の応用には、例えば、テラヘルツ放射源としてジョセフソン接合を使用することが含まれる。交互の導電層と絶縁層を有する第２種超伝導体の固有の層構造は、ジョセフソン接合の密度を極めて高くし、それ故、高温で非常に効率的なテラヘルツ放射体として有用である。このような方法およびシステムの例示的な詳細については、Nakade, K.らによる“Applications using high-Tc superconducting terahertz emitters”, Sci. Rep. 17, 1 (2016)に記載されており、参照により本明細書に組み込まれる。当該材料の使用方法は、例えば、上に開示したデバイスを操作するために、より具体的に使用することができる。
【００７５】
上述した製品のいずれにおいても、製品中の導電性または磁性材料の少なくとも一部が超伝導材料である。
【００７６】
特定の実施形態では、本明細書で開示される超伝導材料に従って使用することができる例示的なコンピューティングデバイス900が示されている。コンポーネント間またはコンポーネント内の電気的接続の少なくとも一部は超伝導材料を含む。コンピューティングデバイス900は、システムバス906を介して、プロセッサ902によってアクセス可能なデータストレージ908を含むことができる。データストレージ908は、プロセッサ902および他のコンポーネントを動作させるための実行可能な命令を含むことができる。コンピューティングデバイス900は、外部デバイスがコンピューティングデバイス900と通信することを可能にする入力インターフェース910も含むことができる。例えば、入力インターフェース910を使用して、外部のコンピュータデバイスからユーザ等からの命令を受信することができる。コンピューティングデバイス900は、コンピューティングデバイス900を１つ以上の外部デバイスとインターフェースする出力インターフェース912も含むことができる。例えば、コンピューティングデバイス900は、出力インターフェース912を介して、テキスト、画像などを表示することができる。
【００７７】
データストレージは、コンピュータ可読記憶媒体であり、コンピュータによってアクセス可能な任意の利用可能な記憶媒体であり得る。一例として、これに限定されないが、このようなコンピュータ可読記憶媒体は、RAM、ROM、EEPROM、または磁気ディスク記憶デバイス若しくは他の磁気記憶デバイス、あるいは、命令またはデータ構造の形式で、所望のプログラムコードを処理または記憶するために使用することができ、かつコンピュータによってアクセス可能である任意の他の媒体命令を含むことができる。当然、上記の組み合わせも、コンピュータ可読媒体の範囲内に含まれる。
【００７８】
これに代えて、または加えて、本明細書に記載された超伝導材料は、ハードウェアロジックコンポーネントに利用することができる。例えば、使用可能な例示としてのハードウェアロジックコンポーネントには、FPGA（Field-programmable Gate Arrays）、ASIC（Program-specific Integrated Circuits）、ASSP（Program-specific Standard Products）、SOC（System-on-a-chip systems）、CPLD（Complex Programmable Logic Devices）が含まれるが、これらに限定されるわけではない。
【００７９】
高温超伝導体の実施形態の合成手順を以下に示す。1960年代に行われた導電性Th化合物の従来の合成研究は、Eastman, E. D.らによる“Preparation and Properties of the Sulfides of Thorium and Uranium”, J. Am. Chem. Soc. 72, 4019 (1950)、およびShalek, P. D.による“Preparation and Properties of Uranium and Thorium Monosulfides”, J. Am. Ceram. Soc. 46, 155 (1963)にて約5質量％の不純物が含まれてしまうことが報告されて終了しており、これらの参考文献は参照により本明細書に組み込まれる。不純物の大部分は、不定比の種およびTh酸化物であることが確認された。今日の合成経路によれば、当業者に知られているより洗練された設備および手順を使用することによって、純度を改善することができる。これらの変化は、合成の化学量論を制御するだけでなく、真空または不活性雰囲気の技術を用いるか、あるいは、用いることなく、高い合成温度下、すなわち最高2200℃下で、酸素および水による酸化および/または汚染を回避することができるからであり、その結果、純粋な化合物を得ることができる。この開示における材料を高純度化することが望まれるものの、同じ材料であれば、低純度であっても依然として超伝導特性を有し、いくつかの用途では依然として利用可能である。したがって、本開示の全ての実施形態が、不純物を含有する化合物を排除するわけではない。以下の合成手順の実施例は、酸素または水の酸化を伴わずに、化学量論的に超伝導材料を作製することが可能な理想的な状況を例示するものであり、これに限定されない。
【００８０】
高温の固相反応を利用して、当該化合物を合成することができる。ここでは、アクチニド群で最も研究されている元素の１つであるトリウムについて説明し、ThSについても説明する。
【００８１】
硫化トリウムを合成する多くの方法が報告されているが、ThSを作製する基本的な方法、すなわち二段階合成および一段法を示すために、ここでは２つの主要なThSの調製手順のみを用いた。
【実施例】
【００８２】
実施例１：二段階経路
2段階の合成経路では、まず、第２段階の出発物質として二硫化トリウム（ThS2）を調製する必要がある。
【００８３】
ThS2は、約1200〜1500℃にて、炭素の存在下で、二酸化トリウム（ThO2）を過剰量の硫化水素（H2S）と反応させることによって作製することができる。反応の持続時間については報告がないが、化学反応は非常に速いと言われている。
【００８４】
このようにして、化学量論のThS2をトリウム金属水素化物と混合し、400〜600℃に加熱することによって、ThSを合成することができる。次いで、反応物を2000〜2200℃、減圧下（〜10-5Torr）にて均質化することができる。これらの技術に関するさらなる情報は、Eastman, E. D.らによる“Preparation and Properties of the Sulfides of Thorium and Uranium”, J. Am. Chem. Soc. 72, 4019 (1950)およびTetenbaum, M.による“Thermoelectric Properties of Uranium Monosulfide, Thorium Monosulfide, and US- ThS Solid Solutions”, J. Appl. Phys. 35, 2468 (1964)に記載されており、それぞれ参照により本明細書に組み込まれる。
【００８５】
実施例２：一段階経路
トリウム金属水素化物と適切な量のH2Sとの混合物を、減圧下（〜10-5Torr）、約2000℃に加熱すると、ThSが生成する可能性がある。これらの技術に関するさらなる情報は、Tetenbaum, M.による“Thermoelectric Properties of Uranium Monosulfide, Thorium Monosulfide, and US-ThS Solid Solutions”, J. Appl. Phys. 35, 2468 (1964)に記載されており、参照により本明細書に組み込まれる。この一段階経路は、比較的単純であるが、純粋なThSを生成するための反応物質の化学量論の制御は困難になり得る。
【００８６】
実施例３：水素化トリウムの調製
水素化トリウム（ThH2）を形成するための反応は、温度に依存して比較的容易に進行する。Eastman, E. D.らによる“Preparation and Properties of the Sulfides of Thorium and Uranium”, J. Am. Chem. Soc. 72, 4019 (1950)を参照されたく、本明細書に組み込まれる。300gの金属トリウムを水素化トリウムに変換するには、300℃で約10時間の持続時間を要する。しかし、最初に400〜500℃まで昇温してから、反応開始後に300℃に下げると、持続時間をわずか数分に短縮することができる。
【００８７】
実施例４：トリウムモノサルファイドの超伝導性を試験するための実験
試料の超伝導特性を試験する方法として、いくつかの方法が挙げられる。その中でも、温度に対する抵抗率とマイスナー効果の測定が最も多く使われる。しかし、本開示で論じるものと同様の方法も普及している。例えば、Maurice, V.らによる“Low temperature specific heat of rocksalt thorium compounds”, J. De Physique C4-140 (1979)、Tanaka, S.による“High-Temperature Superconductivity: History and Outlook”, JSAP international 4, 17 (2001)、米国特許出願公報第2011/0002832 Al号、およびWu, M. K,らによる“Superconductivity at 93 K in a New Mixed-Phase Y-Ba-Cu-O Compound system at Ambient Pressure”, Phys. Rev. Lett. 58 (9) 908 (1987)を参照されたく、これらは参照により本明細書に組み込まれる。Tanakaで使用されている反磁性を決定する方法は、特許請求の範囲に記載された反磁性を決定するために使用することができる。抵抗率および反磁性の特性を用いて、これらの参考文献における化合物のTcを決定した。これらの参考文献に使用されている方法は、本開示に記載されているものと本質的に同じであること、すなわち、試料における伝導性と反磁性の共存は、試料の温度がTc以下で達成された。本開示の例示的な材料では、本明細書に開示されたThI2やThSなどの化合物のTcが298K以上でなければならないので、前記参考文献における化合物よりもさらに容易に試験を行うことができ、マイスナー効果は、もはや温度の冷却を必要とせずに発現し、大気条件にて、試料が磁石上に浮遊することが観察される。
【００８８】
別の簡単な実験では、ジョセフソン接合を作製すること、すなわち、２つの超伝導片を２つの電極として、薄い絶縁層を挟むことによるジョセフソン効果を利用する。これら２つの電極間にて、電圧を走査して電流を記録すると、実験温度が試料のTc以下の場合にクーパーペアのトンネリングに起因して、ゼロ電圧で、非ゼロ電流、すなわちジョセフソン電流（Ic）が発生することがわかる。実験の詳細については、Mourachkine, A.による“Room-Temperature Superconductivity”, Cambridge International Science Publishing (2004)に記載されており、参照により本明細書に組み込まれる。
【００８９】
常伝導体は、マイスナー効果もジョセフソントンネル効果も示さない。
【００９０】
実施例５：超伝導転移温度の決定
本開示および特許請求の範囲に記載された超伝導体のTcは、Bednorz, J. G.およびMuller, K. A.による“Possible High Tc Superconductivity in the Ba-La-Cu-O System”, Z. Phys. B 64, 189 (1986)、Maurice, V.らによる“Low temperature specific heat of rocksalt thorium compounds”, J. De Physique C4-140 (1979)、ならびにWu, M. K,らによる“Superconductivity at 93 K in a New Mixed-Phase Y-Ba-Cu-O Compound system at Ambient Pressure”, Phys. Rev. Lett. 58 (9) 908 (1987)に記載のように、試料の抵抗率の可変温度測定によって決定することができ、これらの文献は参照により本明細書に組み込まれる。ThI2およびThSのような多数の試料が、298K以上のTcを有するので、試料のTcの測定は、１気圧という一定の常圧で、298KなどのTcまたはそれより少し低いところから温度を増加させることで実施できる。Tcは、抵抗率の急激な上昇が完了した直後の温度点の値とすることができる。Tcは、試料のTcより高い温度から、徐々に温度を低下させるといった冷却実験を行うことによって検証されるべきである。Tcの値は、抵抗率が急激に低下した際に確認することができる。この実験は、通常、Dai, P.らによる“Synthesis and neutron powder diffraction study of the superconductor HgBa2Ca2Cu3O8+δ by Tl substitution”, Physica C243, 201 (1995)、Maurice, V.らによる“Low temperature specific heat of rocksalt thorium compounds”, J. De Physique C4-140 (1979)、およびWu, M. K,らによる“Superconductivity at 93 K in a New Mixed-Phase Y-Ba-Cu-O Compound system at Ambient Pressure”, Phys. Rev, Lett. 58 (9) 908 (1987)に記載のように、試料の磁化率の可変温度測定と結びつき、これらの文献は参照により本明細書に組み込まれる。昇温または冷却実験により得られる試料の反磁性特性からの変化時の温度または反磁性特性への変化時の温度は、それぞれ試料のTcに対応する。
【００９１】
実施例６：超伝導コンピューティング
室温超伝導材料を得ることに成功すると、ゼロ抵抗ワイヤや超高速ジョセフソン接合スイッチを含む、よりエネルギー効率が高く、発熱の少ない論理回路が、低温コンポーネントによらず利用可能になるので、コンピューティング業界を劇的に変化させるであろう。回路からの放熱が大幅に低減されているので、コンポーネントの3次元的な積層が可能となり、それ故、動作速度を向上させつつ、大幅な小型化を図ることができる。
【００９２】
上述した内容は、１つ以上の実施形態の例を含む。当然のことながら、前述した態様を説明する目的で、上記のデバイスまたは方法論について考え得るあらゆる変更および改変を説明することは不可能である。しかしながら、当業者であれば、様々な態様について、さらなる多くの改変および置換が可能であることを理解するであろう。したがって、上述した態様は、添付の特許請求の範囲の思想に含まれるような変更、修正、および変形をすべて包含することを意図する。さらに、“include”という用語は、発明の詳細な説明または特許請求の範囲のいずれかにおいて使用され、この用語は、特許請求の範囲における“comprising”という用語と同様、包括的であることが意図されている。本明細書で使用される“consisting essentially”という用語は、特定の材料またはステップであり、材料または方法の基本的かつ新規な特性に実質的に影響を与えないものを意味する。別段の記載がない限り、「％」は重量％であり、「平均」は重量平均である。本明細書における特性は、前述の中で特定されていない場合、適用可能なASTM規格によって決定されてよく、ASTM規格がその特性に対して存在しない場合には、当業者に知られている、最も一般的に使用される標準を用いてもよい。文脈に反しない限り、冠詞“a”、“an”、“the”は、「１つ以上」を意味する。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年11月20日(2018.11.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
抵抗なく電気を伝導させるための方法であって、
前記方法は、電流を生成するステップと、
試料サイズが7.8mm×2.6mm×1.5mm以外であって、式MXnで規定される超伝導材料またはその塩に50mAから100mA以外の電流を流すステップと、を有し、
前記Mは、トリウム（Th）、プロトアクチニウム（Pa）、ウラン（U）、ネプツニウム（Np）、プルトニウム（Pu）、アメリシウム（Am）、キュリウム（Cm）、バークリウム（Bk）、カリフォルニウム（Cf）、ランタン（La）、セリウム（Ce）、プラセオジム（Pr）、ネオジム（Nd）、サマリウム（Sm）、ユーロピウム（Eu）、ガドリニウム（Gd）、テルビウム（Tb）、ジスプロシウム（Dy）、ホルミウム（Ho）、エルビウム（Er）、ツリウム（Tm）、イッテルビウム（Yb）、ルテチウム（Lu）、スカンジウム（Sc）、チタン（Ti）、バナジウム（V）、クロム（Cr）、マンガン（Mn）、イットリウム（Y）、ジルコニウム（Zr）、ニオブ（Nb）、モリブデン（Mo）、ハフニウム（Hf）、タンタル（Ta）、タングステン（W）、レニウム（Re）およびそれらの同位体からなる群より選択される少なくとも１つの元素であり、
前記Xは、フッ素（F）、塩素（Cl）、臭素（Br）、ヨウ素（I）、酸素（O）、硫黄（S）、セレン（Se）、テルル（Te）、窒素（N）、リン（P）、ヒ素（As）、アンチモン（Sb）、炭素（C）、シリコン（Si）、ゲルマニウム（Ge）、ホウ素（B）およびそれらの同位体からなる群より選択される少なくとも１つの元素であり、
前記nは0.05〜20であり、
前記超伝導材料は、通常の大気圧である1気圧下において、151K以上のTcを有する、方法。
【請求項２】
前記超伝導材料は、151K以上および1気圧において反磁性である、あるいは、
前記超伝導材料は、ThIn（n=1.8〜2.4）、ThSn（n=0.8〜1.4）、TaCn（n=0.7〜0.95）、NbCn（n=0.75〜0.80）、TiCn（n=0.98〜1.0）、ZrCn（n=0.85〜1.0）、HfCn（n=0.8〜1.0）、及びVCn（n=0.95〜1.0）からなる群より選択され、かつ、
前記超伝導材料は、多面体の中心に、前記Mを有する反復構造ユニットまたは配位多面体を介して連結された層状分子配置を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記超伝導材料は、少なくとも透過性α‐崩壊プロセスで半減期が300年から150億年の範囲の低レベルの放射能を有するアクチニド系金属を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
超伝導材料に電気的に結合された電気入力と、
電子デバイスまたは磁気デバイスに電気的または磁気的に結合された前記超伝導材料と、
を備える製品であって、
前記超伝導材料は式MXnまたはその塩で規定され、前記Mは、トリウム（Th）、プロトアクチニウム（Pa）、ウラン（U）、ネプツニウム（Np）、プルトニウム（Pu）、アメリシウム（Am）、キュリウム（Cm）、バークリウム（Bk）、カリフォルニウム（Cf）、ランタン（La）、セリウム（Ce）、プラセオジム（Pr）、ネオジム（Nd）、サマリウム（Sm）、ユーロピウム（Eu）、ガドリニウム（Gd）、テルビウム（Tb）、ジスプロシウム（Dy）、ホルミウム（Ho）、エルビウム（Er）、ツリウム（Tm）、イッテルビウム（Yb）、ルテチウム（Lu）、スカンジウム（Sc）、チタン（Ti）、バナジウム（V）、クロム（Cr）、マンガン（Mn）、イットリウム（Y）、ジルコニウム（Zr）、ニオブ（Nb）、モリブデン（Mo）、ハフニウム（Hf）、タンタル（Ta）、タングステン（W）、レニウム（Re）およびそれらの同位体からなる群より選択される少なくとも１つの元素であり、
前記Xは、フッ素（F）、塩素（Cl）、臭素（Br）、ヨウ素（I）、酸素（O）、硫黄（S）、セレン（Se）、テルル（Te）、窒素（N）、リン（P）、ヒ素（As）、アンチモン（Sb）、炭素（C）、シリコン（Si）、ゲルマニウム（Ge）、ホウ素（B）およびそれらの同位体からなる群より選択される少なくとも１つの元素であり、
前記nは0.05〜20であり、
前記超伝導材料は、大気圧において151K以上のTcを有する、製品。
【請求項５】
前記製品が、磁気デバイス内の超伝導磁石と、磁気センサと、コンピューティングデバイスと、コンピュータ可読記憶媒体と、単一の磁束量子素子と、エネルギー蓄積素子と、磁束ピンニングを利用したデバイスと、磁気浮上輸送システムと、連続鋳造システムと、船推進システムと、超伝導磁気エネルギー貯蔵（SMES）システムと、温度、圧力化学的、生物学的または生物医学的センサと、ケーブルまたはワイヤと、集積回路と、磁気鉱石分離用のマルチ磁石システムと、核磁気共鳴（NMR）デバイスと、磁気共鳴イメージング（MRI）デバイスと、崩壊粒子のビームライン用の超伝導四重極と、他の材料の導電性を高めるための電極材料または電極材料の複合材料と、超伝導玩具と、小型超伝導モータと、永続電流を利用したメモリ/記憶装置と、発電機または変圧器と、電気的または磁気的スイッチデバイスと、超伝導ソレノイドと、磁気流体発電機と、プラズマ閉じ込めシステムと、ジョセフソンデバイスと、広帯域通信およびレーダ用のパッシブRFまたはマイクロ波フィルタと、量子コンピューティング回路と、超伝導トンネル接合部と、核融合エネルギー発生装置と、超伝導に基づくホール効果測定システムと、超伝導体に基づく試料振動型磁力計と、超伝導体に基づく質量分析計と、超伝導テラヘルツエミッタと、超伝導論理回路を用いたコンピュータと、高多孔性またはエアロゲル材料から作製された電気回路要素またはワイヤとからなる群より選択される製品であって、
前記製品中の導電性または磁性材料の少なくとも一部が前記超伝導材料である、請求項４に記載の製品。
【請求項６】
前記超伝導材料は、298Kおよび1atmで測定したときに非常に低い抵抗率を有し、前記非常に低い抵抗率は、33.6nΩ・cm以下で、銅の抵抗率の1/50である、あるいは、
前記超伝導材料は、少なくとも95重量％の純度である、請求項４に記載の製品。
【請求項７】
前記Mは、トリウム（Th）であり、前記Xは、硫黄（S）、ヨウ素（I）、窒素（N）、炭素（C）、ホウ素（B）およびそれらの同位体である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記超伝導材料はThSnであり、前記nは0.8〜１.4であり、前記超伝導材料は導電層を有し、前記超伝導材料は等方性を有し、前記導電層上のトリウムカチオンは{111}結晶族平面の層群を共有し、Thカチオンがそれらの間で三次元ネットワーク相互作用を形成する、請求項７に記載の方法。
【国際調査報告】
2019518705.tif 000019