超高圧を用いた超伝導物質開拓
大阪大学
1. はじめに大学院基礎工学研究科

清水 克哉

素を直接圧縮するよりも低い圧力で金属水素様の状

近年、高圧力下条件ながら水素化物において高温態を水素化物中に生み出せるという提案である 4)。独の超伝導が発見され、超伝導現象が室温を超える温のグループが、この提案を元に 2015 年に硫化水素度でも実現可能になると期待されるようになってき（H2S）を加圧することで、200 K を超える超伝導転た、それらの水素化合物が超伝導状態になるには 100移温度（Tc）を発見したことから 5)、水素化物が、高GPa （約 100 万気圧）を超える超高圧力が必要では温超伝導体の有力候補になった。

あるが、近い将来に冷却を必要としない超伝導材料

ただし、200 K を超える超伝導は 150 GPa の高圧力の誕生を期待させている。本稿では、高圧力を用いによって実現する。一般的に、高圧力下で物質がどた超伝導研究から近年の水素化物の超伝導へ続いたのような結晶構造をとるか、その結晶構造でどのよ

経緯を含めて、超高圧力を用いた超伝導物質の研究

うな物性が発現するかを予測することは容易ではなを紹介する。

い。近年の理論計算技術の進歩により、高圧力下の安定構造を予測する精度は高くなってきた。上記の2.高圧力と高温超伝導体

硫化水素の超伝導は理論計算による予測 6) が契機に高圧力研究の目標には金属水素の実現がある。水なり実証実験がなされたものであるが、我々が直後素の高密度極限状態には金属状態があり、BCS 理論に行った構造解析実験で決定した結晶構造と Tc は理によれば電子格子相互作用が強く格子振動数も非常論予測どおりであった 7)。このように理論予測の成功に高いため、金属化と同時に室温超伝導体になるとによって、より高温の超伝導水素化物の探索が盛ん

1)

理論予測されている 。土星や木星などのガス惑星のに行われることになった。元素周期表の中から元素内部にはすでに金属水素は存在するが、それは液体を１つ選び、水素化物が安定になる水素の割合と圧（流体）金属水素であって、惑星磁場を生み出して力と構造を計算する。そしてその構造パラメーターいる。液体金属水素はすでに実験室で生成されたがを使って超伝導性を計算して、高温超伝導になる水

2)～ 3)素化物が次々と提案されている。実験室における実、室温超伝導を期待する固体金属水素は未だ実現されていない。

験に先行して計算機の中で水素化物の合成実験がす固体金属水素に代わって提案されたのが水素化物

すめられているともいえるだろう。

である。水素を多く含む水素化物を圧縮すれば、水

(a)

(b)

図1

低温高圧実験用小型 DAC： (a)

i)

ii)

DAC の外観写真

(b)

iii)

一般的な試料と電極の配置。 i) 固体試

料：一軸性圧縮だが簡便な方法、ii)液体試料、iii)固体試料：圧力伝達媒体を用い、静水圧性を高めている。上図はダイヤモンドアンビルで挟む前のガスケットを上から見た図。iii)では試料が圧力媒体に囲まれ、圧力は圧力媒体を通して間接的にかかるため、静水圧性が比較的高い。この圧力媒体の部分を水素や水素発生源にすることで、水素化物の高圧合成と電気抵抗測定を行うことができる。
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3. 水素化物超伝導体の合成

素属でより軽い酸素に置換するまたは酸素を添加す

高圧力下の超伝導探索用に我々は低温高圧実験用ることになる。これも理論計算による提案が先行し小型 DAC（Diamond Anvil Cell）と呼ばれる高圧発生ていて、リンの添加が提案された 13,14)。このような置装置を開発した（図 1。詳細は文献 8,9)を参照）。この換や添加はこれまで新しい超伝導体が発見されるたDAC を用いて合成実験を行うことが出来る。

びに試行される常套手段ともいえる。しかし我々の3-1. 分子解離による合成実験的検証では、今のところ明確な上昇は観測でき最初の硫化水素の超伝導は、 図 1 (b)ii)のセッティ
5)ングを用いて発見されている 。冷凍機で冷却し液化ていない。
4-3. まとめした硫化水素を低温のまま加圧する方法で合成・発

本稿執筆時は、ほぼ室温または室温を超える超伝見された 。我々は再現実験と放射光 X 線を用いた導体発見したという報告が相次ぎ、それらの検証実構造解析を通じて、硫化水素（H2S）より水素量が多験が盛んに行われている最中である。それらの真偽

い組成の水素化物（H3S）が 200 K の超伝導体の正体

は本稿では言及しないが、冒頭に述べたとおり、水であることを突き止めた。X 線構造解析によって硫黄素がエネルギー源としてだけでなく超伝導体として、が析出していることから、H2S が分子解離して硫黄を省エネルギーに使われる期待が高まってきた。

5)

排出し、水素量の多い H3S が合成されていることがしかし、この室温に迫る超伝導を利用するにはも明らかになった。

う少し時間がかかると予想している。それは、水素

3-2. 元素＋水素からの直接合成

化物の超伝導はその圧力下のみで達成されているた

硫化水素の超伝導の発見をうけて、直ちに我々はめである。前章で述べた展望の他に、上記の期待に硫黄と水素を直接混ぜて加圧して水素化物を合成す応じるべく、現在はその必要な圧力を低く抑えるこることを試みた。図 1(b) iii)の試料を硫黄に、圧力媒ととともに、高圧力をかけたまま利用すること に体を水素に置き換えたセッティングである。加圧だ

我々は注力している。

けでは反応は起こらず、赤外レーザーで加熱することで合成反応が起こり、H3S が得られた 10)。この手5. 参考文献

法は計算機の中の合成実験で示された高温超伝導水

1) N. W. Ashcroft: Phys. Rev. Lett. 21 (1968) 1749

素化物の実験的検証に現在も多く用いられている。

2) S. T. Weir, et al.: Phys. Rev. Lett. 76 (1996) 1860
3) K. Ohta, et al.: Sci. Rep. 5 (2015) 6560

4. 今後の展望

4) N. W. Ashcroft: Phys. Rev. Lett. 92, (2004) 187002

4-1. 水素化のコントロール5) A. P. Drozdov, et al.: Nature 525(2015) 73

理論計算が提案する通りの水素量をもつ水素化物

6) Y. Li, et al.: J. Chem. Phys. 140 (2014) 174712を合成することが出来ないものが多い。LaH10 の合成

7) M. Einaga, et al.: Nature Physics 12 (2016) 835を試みた例では、文献値の 250-270 K

8) 清水克哉：高圧力の科学と技術 8

11,12)よりも低温(1998) 41度であった。独のグループは合成実験の中で、合成

9) K. Shimizu, et al.: J. Phys. Soc. Jpn. 74 (2005) 1345

されるランタン水素化物は単一組成ではなく、異な

10) H. Nakao, et al.: J. Phys. Soc. Jpn. 88

る化学量論組成のランタン水素化物が試料中に混在123701するとしている。そのため、より低い Tc をもつ水素

11) M. Somayazulu, et al.: Phys. Rev. Lett. 122 (2019)

量が異なる超伝導体が合成されている。これは、温027001

度や圧力などの合成条件のわずかな違いによる可能

12) A. P. Drozdov, et al.: Nature 569 (2019) 528

性があると考えられる。より多くの合成実験がなさ

13) Y. Ge, et al.: Phys. Rev. B 93 (2016) 224513

れ、そのデータを理論計算へとフィードバックする

14) A. Nakanishi, et al.: J. Phys. Soc. Jpn. 87 (2018)

ことで、計算精度を上げ、より詳細なレシピが明ら124711かになる必要があるだろう。
4-2. より高温へ
Tc をより高温にするのはどうすればよいか。構成元素をより軽い元素への置換することや添加することが考えられる。硫化水素であれば、硫黄を同じ元-219-(2019)