令和 4 年 10 月 24 日

世界最⾼の超伝導臨界電流密度を有する薄膜線材を創製―

液体ヘリウム沸点温度(−269℃)で 150 MA/cm2 を達成―

【研究成果のポイント】◆新材料設計指針により銅酸化物高温超伝導材料 YBa2Cu3Oy 注１)の薄膜線材を創製し世界最高の超伝導臨界電流密度 150 MA/cm2(1 億 5000 万アンペア/平方センチメートル)を達成。
◆本研究で創製した YBa2Cu3Oy 薄膜線材は、18 テスラ注 2)の高磁場下においても、すべての超伝導材料の中で最も高い超伝導臨界電流密度を達成。
◆磁場下で高い超伝導臨界電流が必要な核融合発電、高度医療診断装置、高度分析機器やリニアモーターカーなどの更なる高性能化・低コスト化・コンパクト化が期待される。

図 1 新材料設計指針により飛躍的に増大した超伝導臨界電流が YBa2Cu3Oy 超伝導薄膜内を流れる様子.

【概要】
成蹊⼤学⼤学院理⼯学研究科 三浦正志教授(JST 創発的研究⽀援事業・創発研究者、⽶国ロスアラモス国⽴研究所・⻑期客員研究員)は、東京⼤学 ⼤学院総合⽂化研究科 前⽥京剛教授のグループ、⼤学院⼯学系研究科 加藤康之助教、⼭梨⼤学 關⾕尚⼈准教授、ファインセラミッ
クスセンター 加藤丈晴博⼠のグループ、東北⼤学 淡路智教授のグループ、ロスアラモス国⽴研究所 B. Maiorov 博⼠と L. Civale 博⼠と共に、図 1 に⽰す新材料設計指針である『磁束ピン⽌め点 注 ３ ) 制御』と『キャリア密度 注 ４ ) 制御』の融合により銅酸化物⾼温超伝導材料
YBa2Cu3Oy(Y123)の薄膜線材を創製し、すべての超伝導材料の中で最も⾼い世界最⾼の超伝導臨界電流密度 150 MA/cm2 を液体ヘリウム沸点温度(­269℃)で達成しました。また、本指針により鉄系超伝導材料 BaFe2(As1-xPx)2(Ba122:P)注５)の薄膜においても世界最⾼級の超伝導臨界電流密度を達成し、種類の異なる超伝導材料への有効性を確認しました。
本研究成果は、英国科学誌 Nature 系の専⾨誌「NPG Asia Materials」(オンライン: 2022年 10 ⽉ 21 ⽇)に掲載されました。

Press Release【研究の背景】

図２ 飛躍的に増大した超伝導臨界電流を有する超伝導薄膜線材が拓く社会.

超伝導は電気抵抗ゼロで⼤電流(超伝導電流)を流せる唯⼀の材料です。そのため、図２に⽰す様々な応⽤が期待されています。これらに応⽤するためには、磁場下で⾼い超伝導電流が求められます。これまでの研究より、❶超伝導体内に侵⼊する量⼦化磁束注６)の運動を抑制する磁束ピン⽌め点(⾮超伝導)粒⼦の導⼊が超伝導電流向上に有効であることが知られています。また、❷キャリア密度が⾼いほど多くの超伝導体の超伝導臨界電流密度が⾼くなる傾向がありました。応⽤に向けた⾶躍的な超伝導臨界電流密度向上には、❶と❷の融合による新しい材料設計指針(図 1 参照)が必要でした。しかし、従来の Y123 薄膜を作製する⽅法では、磁束ピン⽌め点を導⼊すると超伝導相の結晶性が低下し、また、ひずみが加わることによりキャリア密度が低下する課題がありました。そのため、❶と❷を融合することが難しく、❶と❷を独⽴に制御し特性向上を試みているため超伝導臨界電流密度は頭打ちとなっていました。

【本研究成果】

図３ 磁束ピン止め点とキャリア制御の融合により超伝導臨界電流を飛躍的に増大させる新材料設計指針.

本研究では、独⾃薄膜作製法[特許第 5270176 号注７)(21 世紀発明賞注８))]を応⽤して❶超伝導相に対してインコヒーレント(粒⼦との界⾯の結晶格⼦が不連続)⾮常伝導相 BaHfO3ナノ粒⼦を導⼊することで、Y123 薄膜の結晶性や格⼦定数にほぼ影響なく⾼密度(80×1021個/m3)な磁束ピン⽌め点を導⼊することに成功しました(図 3(左)参照)。❷酸素雰囲気下熱処理を制御することで BaHfO3 導⼊ Y123 薄膜の CuO チェーン注９)に⾼密度酸素を注⼊しキャリア密度を制御し、特に重要なパラメータである熱⼒学的臨界磁場注１０)向上に成功しました(図 3(右)参照)。この結果、世界で初めて❶と❷の融合を実現し、超伝導電流向上に重要な各パラメータを向上させ、世界最⾼の超伝導臨界電流密度を達成しました。また、種類の異なる鉄系超伝導 Ba122:P 薄膜作製には、独⾃薄膜作製⼿法[特許第 5757587 号注１１)]を応⽤し、❶と❷を融合することで BaZrO3 導⼊ Ba122:P 薄膜の特性向上に成功しました。

図４に超伝導が発現する温度(超伝導転移温度、Tc)の異なる超伝導材料の液体ヘリウム沸点
温度(­269℃)における外部磁場無しの超伝導臨界電流密度(Jc)を⽰します。図における塗りつぶしマークは、各超伝導に磁束ピン⽌め点を導⼊した材料です。いずれの超伝導材料においても磁束ピン⽌め点を導⼊することで超伝導電流が向上していることが分かります。さらに、
図より本材料設計指針により創製した Y123 薄超伝導臨界電流密度, Jc (MA/cm2)

Press Release膜線材は、すべての材料の中で最も⾼い超伝導

180

本研究：新材料設計Y123

＠−269℃160

⾃⼰磁場(外部磁場無)14012010080

従来設計Y1236040 Nb2Sn (Y,Ca)123
20Ba122:P

Y123
Bi2212

Hg1223H2S(超⾼圧)

00502100150200

超伝導転移温度, Tc (K)

臨界電流密度 150MA/cm であることが分かります。図 5 に超伝導電磁⽯応⽤上最も重要とな 図４ 液体ヘリウム沸点温度(−269℃)における様々な超伝導材料注１２)の超伝導臨界電流密度(磁場無).

る磁場中における超伝導臨界電流密度を⽰します。図より本設計指針により創製した Y123の超伝導臨界電流密度を得ることに成功しました。
本研究で⾰新的⾼超伝導臨界電流密度を有する Y123 線材創製に成功したことにより、液体ヘリウムを冷媒とした⼤型ハドロン衝突型加速器 [〜20 T]、核融合発電 [〜20 T]、分⼦構造解析に⽤いられる核磁気共鳴(NMR)装置[〜24 T]、研究⽤磁気共鳴断層撮影(MRI)装置[〜10 T]、医療⽤ MRI 装置 [〜3 T]やリニアモーターカー [〜1.5 T]などへの応⽤が期待さ

超伝導臨界電流密度, Jc (MA/cm2)

超伝導薄膜線材は、18 T の⾼磁場まで世界最⾼

本研究：新材料設計Y123100

従来設計Y123

10Y123
Ba122:P

1Bi2212
NbTi

0.1

H||cNb2Sn
Bi2223

MgB2

＠−269℃
0510

磁場, 0H (T)1520

れます。また、本研究で創製した Y123 薄膜線 図５ 液体ヘリウム沸点温度(−269℃)における様々な超伝導材料注１２)の磁場中超伝導臨界電流密度.
材は、液体窒素沸点温度(­196℃)において超伝導電流密度 9.5 MA /cm2(外部磁場無)の世界最⾼値を達成しました。これにより、これまで応⽤が難しいとされてきた液体窒素を冷媒とする超伝導電⼒貯蔵装置(SMES) [〜５T]、航空機⽤超伝導モーター [〜3 T]、医療⽤ MRI[〜3 T]、発電機 [〜3 T]などへの応⽤が期待されます。

【論文情報】
本研究成果は、英国科学誌 Nature 系の専⾨誌「NPG Asia Materials」(オンライン: 2022
年 10 ⽉ 21 ⽇)に掲載されました。
・タイトル︓Thermodynamic approach for enhancing superconducting critical current performance
・著者︓Masashi Miura, Go Tsuchiya, Takumu Harada, Keita Sakuma, Hodaka Kurokawa, NaotoSekiya, Yasuyuki Kato, Ryuji Yoshida, Takeharu Kato, Koichi Nakaoka, Teruo Izumi,Fuyuki Nabeshima, Atsutaka Maeda, Tatsumori Okada, Satoshi Awaji, Leonardo Civale andBoris Maiorov
・DOI︓10.1038/s41427-022-00432-1

Press Release【研究支援】
本研究は、科学技術振興機構(JST) 創発的研究⽀援事業 研究課題 JPMJFR202G「新材料設計指針により対破壊電流密度に挑む (研究代表者︓三浦正志 成蹊⼤学 ⼤学院理学研究科 教授)」(創発 PO︓井村順⼀ 東京⼯業⼤学 理事・副学⻑/⼯学院教授)、⽇本学術振興会(JSPS)
科研費基盤研究(B) 20H02184 の⽀援を受けて⾏われました。

【用語説明】
注１）銅酸化物高温超伝導材料 YBa2Cu3Oy
1987 年にアラバマ大学のマウケン・ウー博士とヒューストン大学のポール・チュウ博士により発見された超伝導材料。超伝導転移温度は、95 ケルビン(摂氏マイナス 178℃)に達する。
注２）テスラ磁場(磁束密度)の強さを表し、T で表記される。
注３）磁束ピン止め点
磁場下の超伝導体内には、量子化された磁束(量子化磁束)が侵入する。この量子化磁束は、超伝導に流れる超伝導電流と磁場によるローレンツ力(電磁場中で運動する荷電粒子が受ける力)を受け、超伝導体内を運動するため、この運動により超伝導電流が流れにくくなる。そこで、超伝導電流向上を目的に、量子化磁束の運動を抑制(ピン止め)するために導入する非超伝導相のことを磁束ピン止め点とよぶ。
注４）キャリア密度
体積あたりの電荷キャリアの個数である。銅酸化物高温超伝導 YBa2Cu3Oy や鉄系超伝導BaFe2(As1-xPx)2 のキャリアは、ホール(物質中で正の電荷を運ぶ担体として振る舞う)である。
注５）鉄系超伝導材料 BaFe2(As1-xPx)2
2008 年に東京工業大学の細野秀雄 栄誉教授のグループにより発見された鉄を含む一連の超伝導体群(鉄系超伝導体)の一つで AeFe2As2(Ae はアルカリ土類金属)を母相とした超伝導体。
BaFe2(As1-xPx)2 の最高超伝導転移温度は、31 ケルビン(摂氏マイナス 242℃)に達する。
注６）量子化磁束超伝導体を貫く量子化された磁束。その大きさは、0=h/2e=2.07×10-17 ウェーバー (h はプランク定数, e は電子の電荷)で表される。量子化磁束のサイズはナノサイズである。
注７）特許第 5270176 号
三浦正志、中西尚達、須藤泰範、和泉輝郎、塩原融により発明された「RE 系酸化物超電導線材及びその製造方法」。具体的には、金属有機化合物分解(MOD)法を用いて Y123 超伝導薄膜内に非超伝導ナノ粒子を導入する方法に関する特許。
注８）21 世紀発明賞(公社)発明協会(総裁 常陸宮正仁親王殿下)が表彰する賞で、科学技術的に秀でた進歩性を有し、かつ、中小・ベンチャー企業、大学及び公設試験研究機関等の研究機関に係る発明の中で著しく優秀と認められる発明が対象。令和２年度から未来創造発明賞に名称変更。
注９）CuO チェーン
Y123 は、CuO 鎖(チェーン)サイトに酸素イオンが入ることで超伝導が発現する。よって、このサイトの酸素量を制御することがかなり重要になる。
注１０）熱力学的臨界磁場臨界電流密度に非常に大きな影響を与えるパラメータ(Jc∝Hc2)。ひずみやキャリア密度などで制御することが可能であるが、基本的には材料固有のパラメータである。大きさは、
0Hc=0.35(0/abab) テスラ (0 は真空中の透磁率、ab は磁場侵入長、ab はコヒーレンス長)。
注１１）特許第 5757587 号
三浦正志、安達成司、田辺圭一、細野秀雄により発明された「鉄系超電導材料、及びこれからなる鉄系超電導層、鉄系超電導テープ線材、鉄系超電導線材」。具体的には、パルスレーザー蒸着(PLD)法を用いて Ba122:P 薄膜内に非超伝導ナノ粒子を導入する方法に関する特許。
注１２）図 4 および 5 に示した様々な超伝導体の詳細組成(Y,Ca)123：(Y1-xCax)Ba2Cu3Oy、Bi2223: Bi2Sr2Ca2Cu3O10+δ、Hg1223: HgBa2Ca2Cu3O8+δ、
Bi2212: Bi2Sr2CaCu2O8+δ

【プレスリリース内容 に関する問い合わせ先】＜研究に関すること＞
成蹊大学大学院 理工学研究科
教授 三浦 正志（みうら まさし）
TEL：04-2237-3741
E-mail：masashi-m[at]st.seikei.ac.jp＜報道に関すること＞
成蹊学園 広報グループ
TEL: 04-2237-3517
Email: koho[at]jim.seikei.ac.jp
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TEL：03-5214-8404 FAX：03-5214-8432
E-mail：jstkoho[at]jst.go.jp
東京大学 教養学部等総務課 広報・情報企画チーム
TEL: 03-5454-6306
E-mail：koho-jyoho.c[at]gs.mail.u-tokyo.ac.jp
東京大学 大学院工学系研究科 広報室
TEL：03-5841-0235
E-mail：kouhou[at]pr.t.u-tokyo.ac.jp
山梨大学 企画部広報企画課
TEL：055-220-8005
E-mail: koho[at]yamanashi.ac.jp
ファインセラミックスセンター 研究企画部
TEL: 052-871-3500
E-mail：ressup[at]jfcc.or.jp
東北大学 金属材料研究所 情報企画室 広報班
TEL: 022-215-2144
E-mail：press.imr[at]grp.tohoku.ac.jp＜JST 創発的研究支援事業に関すること＞
科学技術振興機構 戦略研究推進部 創発的研究支援事業推進室
担当：中神 雄一（なかがみ ゆういち）
TEL：03-5214-7276 FAX：03-6268-9413
E-mail：souhatsu-inquiry[at]jst.go.jp