金属とも絶縁体ともつかない
電子の量子臨界流体

鉄カルコゲナイド超伝導体の超伝導転移温度の大幅な上昇

クロムに７つの水素を結合させることに成功−ハイドライド・ギャップの克服へ−
東北大学金属材料研究所の高木成幸助教と同大学原子分子材料科学高等研究機構（AIMR）

東京大学大学院総合文化研究科の今井良宗助

電子は電荷を持つために，物質中で互いに反教，前田京剛教授らの研究グループは，鉄カル発し合っている．反発力が大きいと，電子は互コゲナイド超伝導体の超伝導転移温度（T c）を，いにぶつかることを避けるため自由に動けず，従来と比較して 1.5 倍に上昇させることに成功

絶縁体（モット絶縁体と呼ばれる）になる．一した．これは，従来の手法では合成が困難であっ方，反発力が小さくなると電子は波として動けた組成を持つ鉄カルコゲナイドの薄膜を作製するようになり，金属になる（モット転移）．こることによって実現したものである．の金属と絶縁体の狭間では，電子はどのようなの折茂慎一教授らの研究グループは，日本原子鉄 カ ル コ ゲ ナ イ ド 超 伝 導 体 FeSe1-xTex は，力研究開発機構，高エネルギー加速器研究機構，2008 年の発見以来精力的に研究が進められての古川哲也博士（現在 東京理科大学助教），豊田中央研究所との共同研究において，これまいる鉄系超伝導体の一つである．この物質の結宮川和也助教，鹿野田一司教授らを中心とするで水素と結合しにくいと考えられてきたクロム

晶構造は，鉄とカルコゲン（Se/Te）で構成さ研究チームは，3 種類の有機分子性結晶に圧力に７つの水素が結合した水素化物を合成するこれる四面体から成る層が積層した非常に単純なをかけることによりモット転移を起こし，絶縁とに成功した．

ものであることから，メカニズム解明を目的と体から金属に変わる際の電子の状態を電気抵抗

金属元素の中には，単独では熱力学的に安定した基礎研究，あるいは，超伝導線などさまざ測定によって調べた結果，物質に依らない電子な水素化物を形成しない元素群（＝ハイドライ

まな応用化を目指した研究の両面から非常に精の超臨界流体が実現していることがわかった．

ド・ギャップ）が存在する（下図）．一方，こ力的に研究が行われている．ところが，この物れらの元素は錯体水素化物を形成することで多質は，従来の合成手法では，特定の組成領域（Teくの水素と結合することができる．唯一の例外

量 x=0.1-0.4）においては，スピノーダル分解がクロムであり，単独でも，また錯体水素化物による相分離が存在するために，単一組成の固においても，何れも水素とは結合しないと考え溶体を得ることができないという問題があり，られてきた．

同物質の系統的な研究を行う上で，大きな足か

今回研究グループは，水素が特定の対称性を状態にあるのか？東京大学大学院工学系研究科せとなっていた．

もってクロムに配位するとき，一般的な金属元今回，東京大学のグループでは，パルスレー素よりも多くの水素が結合した錯体水素化物がザー堆積法を用いて，フッ化カルシウム基板上形成されることを理論的に予測した．また理論に鉄カルコゲナイド薄膜を作製することによっ予測に基づき，クロムを含む新たな錯体水素化て，全組成領域にわたって，スピノーダル分解物 Mg3CrH8 の焼結体を得ることに成功し，中を観測することなく単一組成の固溶体を得るこ

性子線と赤外線を利用して実際にクロムと７つとが可能であることを初めて見いだした．薄膜の水素が結合した陰イオン [CrH7]5‒ が含まれて作製は，非平衡プロセスで反応が進むことから，研究チームが用いた三種類の分子性結晶は，いることを確認した．この成果は，長年の課題従来，相分離が不可避であるとされていた組成どれもが圧力によって絶縁体から金属に変わであったハイドライド・ギャップを克服するこ領域であっても，準安定的な相として合成が可る．この絶縁体から金属への転移は急峻な 1 次とにも繋がった（下図）．

能になったものと考えられる．さらに，作製し転移であるが，温度 - 圧力相図に描くと，原子水素を高密度に含む水素化物は，水素貯蔵材た薄膜の T c を調べ，超伝導転移温度相図を作

分子の気体 - 液体転移のように，1 次転移線（図料に加えて超伝導材料としての応用が期待され成したところ，従来相分離が存在するとされての赤い実線）はある有限温度で終端する．このるなど，近年多くの注目を集めている．本結果

いた組成領域である Te 量 x=0.2 において，最臨界温度以上では，原子分子系なら超臨界流体は，水素を高密度に含む水素化物の探索に向け高の T c 〜 23 K を示すことが明らかとなった．となるのであるが，電子系ではどうか？研究て新たな指針を提示する重要な成果であり，今この値は，従来バルク結晶で知られていた値のチームは電気抵抗の圧力依存性と温度依存性を後の水素化物研究を大いに促進することが期待1.5 倍という高い値である．また，一般に鉄系詳細に測定し，解析した結果，三種類の物質のされる．

超伝導体の超伝導転移温度相図はドーム状とな

電気抵抗が共通して量子臨界スケーリング則とる こ と が 知 ら れ て い る が， 今 回 得 た 相 図 は呼ばれる量子臨界流体に期待される振る舞いをx=0.1-0.2 の領域で T c が急激に変化しており，満たすことがわかった．これは，結晶中の電子それとは異なる振る舞いをしていることもわは，低温では金属か絶縁体のどちらかの状態にかった．現時点で大幅な T c の上昇の理由や陥るのに対し，臨界温度より高温では，金属とx=0.1-0.2 の領域での急激な変化の起源は明らも絶縁体ともつかない電子の量子臨界流体（超かではないが，今回，系統的に組成を変化させ臨界流体の量子版）が実現していることを示した試料を作製することが可能になったことで，ている（図の色は，スケーリングのために規格

この系の超伝導のメカニズム解明に向けた研究化された電気抵抗の対数の絶対値を表したもが飛躍的に進展していくことが期待される．の；色が変化している領域で電子が量子臨界流（東京大学

今井良宗・前田京剛体になっている）．新しく見つかった量子臨界〒 153-8902

東京都目黒区駒場 3-8-1（東北大学金属材料研究所
教授 折茂慎一

助教 高木成幸・

連絡先 : 〒 980-8577 宮城県

連絡先 :E-mail: imai@maeda1.c.u-tokyo.ac.jp,

流体は，それが持つ大きなゆらぎを背景に，新しい電子状態や物性機能の開拓へと発展するこ

仙台市青葉区片平 2-1-1，E-mail: shigeyuki.takagi@

cmaeda@mail.ecc.u-tokyo.ac.jp）とが今後期待される．

imr.tohoku.ac.jp）

URL: http://maeda3.c.u-tokyo.ac.jp/（東京大学大学院工学系研究科

URL: http://www.hydrogen.imr.tohoku.ac.jp/［2015 年 7 月 27 日］［2015 年 7 月 30 日］

一司

教授 鹿野田連絡先 : 〒 113-8656 東京都文京区本郷7-3-1，E-mail: kanoda@ap.t.u-tokyo.ac.jp）
URL: http://park2014.itc.u-tokyo.ac.jp/kanoda̲lab/［2015 年 8 月 6 日］

セラミックス 50（2015）No. 972₁721