鉄系超伝導線材の試作
水 口 佳 一1高 野 義 彦)2)2008 年 2 月，東京工業大学の細野教授らのグループにより，鉄ヒ素化合物 LaFeAsO1－xFx が超伝導転移温度 Tc ＝ 26K の超伝導体であることが発見された(1) ．超伝導に不利だと考えられてきた磁性元素の代表格である鉄を主構成元素とするこの物質が，26 K という高い Tc を示したことに，世界中が注目した．この発見の直後， LaFeAsO1－xFx の La をイオン半径の小さい Sm で置き換えた SmFeAsO1－xFx がさらに高い Tc ＝55 K を示すことが発見され(2)，世界中で鉄系超伝導フィーバーが起こった．図に典型的な鉄系超伝導体の結晶構造を示す．( a ) LaFeAsO は， FeAs 層(超伝導層)とLaO 層(ブロック層)が積層した構造をとっている．同様にFeAs 層を持つ 超伝導体として，( b ) BaFe2As2 系( Tc ＝ 38K)(3)や(c)LiFeAs 系(Tc＝ 18 K)(4)が相次いで発見された．

さらに FeAs 層と同様の構造を持つ FeSe (図 1 ( d ))も Tc ～12 K の超伝導体であることが発見された(5) ．鉄系超伝導体は共通して，鉄の正方格子を基本とした層状構造をとっており，その Tc は層間の結晶構造に強く依存している．我々は，最も単純な結晶構造を持つ FeSe 系が鉄系超伝導メカニズムを理解する上で非常に重要であると考え，幅広い研究を

図1

主な鉄系超伝導体の結晶構造．

行っている(6) ．初めに， FeSe 系の性質について簡単に述べ，さらに，FeSe 系超伝導体を用いた超伝導線材の試作に考案した線材化プロセスは， Fe チューブおよび SeTe 合金ついて紹介する．

のみを用いる，簡便な方法である． Fe チューブは線材のシFeSe における超伝導は台湾の M. K. Wu らのグループにースの役割と同時に，超伝導相 FeSe1－xTex を合成する原料より発見された(5) ． FeSe は PbO 型結晶構造をとり， FeAsにもなる点でユニークである．図に線材化プロセスの略図層とほぼ同様の構造を持つ．さらに，その層間にはブロックを示す．初めに，あらかじめ合成した SeTe 粉末を鉄チュー層が無く，最も単純な構造といえる．理論計算や NMR，光ブ(外径 6 mm ，内径 3.5 mm )に充填する．チューブの端を電子分光等の実験からも FeAs 系と似た性質が指摘され，最封じ，溝ロールおよび平ロールを用いてテープ状に圧延しも単純な鉄系超伝導体として注目を集めている(7)(9) ．さらた．得られた線材を 45 cm に切断し，アルゴン大気圧中でに ， 驚 く こ と に そ の Tc は 約 4 万 気 圧 下 で 37 K に 到 達

石英管に封入し，熱処理を行った．

し(10)(12) ，これは二元素系超伝導体においては MgB2 ( 39

得られた線材の断面を研磨し， SEM を用いて観察した

K )(13)(14) , Cs3C60(高圧下で 38 K )(15) に次ぐ 3 番目に高い Tc(図)．線材の両端においてシースと超伝導相が密着し，隙である．また， FeSe の Se サイトを S と Te で置換すると間無く充填している良質な状態が得られた．この良質な状態

Tc が上昇することがわかっており，FeSe1－xTex は常圧下では，シース材を超伝導相の原料として用いたために得られたを示す(16)(17)．また，この系に属すると考えている．さらに，EDX により元素マッピングを行っ

FeTe1－xSx(Tc＝10 K)は比較的毒性が低く，応用に有利な鉄たところ，Fe, Se および Te が均一に拡散していることがわ系超伝導体である(18)．

かった．磁化測定から線材内部に Tc＝11 K の超伝導体が形

14 K と比較的高い Tc

鉄系超伝導体の応用への取り組みとして， FeSe1－xTex を成されていることを確認した．そこで，四端子を設け通電試用いた超伝導線材の試作について紹介したい(19)．このたび験を行ったところ，ゼロ抵抗状態を観測した．4.2 K におい

1)NIMS ジュニア研究員
2)グループリーダー(〒3050047 つくば市千現 121)Fabrication of Ironbased Superconducting Wire; Yoshikazu Mizuguchi, Yoshihiko Takano(National Institute for Materials Science(NIMS), Tsukuba)
Keywords: ironbased superconductor, FeSe, superconducting wire
2009年 8 月23日受理

独立行政法人物質・材料研究機構ナノフロンティア材料グループ

トピックス

図2

線材化プロセスの略図．
図4

通電法により見積もった Jc の磁場依存性．

Tc を持つ鉄系超伝導体が開発されれば，超伝導のさらなる実用化への大きな一歩になるものと期待している．
超伝導線材に関する研究は，物質・材料研究機構の熊倉浩
明センター長，竹屋浩幸博士，松本明善博士，田中孝尚氏との共同研究であり，この場を借りて感謝する．また，当研究の一部は，JSTTRIP(Transformative Researchproject on
Iron Pnictides)の支援により行われた．

文

図3

線材の断面 SEM 像．て磁場中での電流電圧特性測定を行い Jc を見積もったところ，図に示すように 0 T において 12.4 A/cm2 と見積もられた．鉄系超伝導体を用いた超伝導線材の試作において Jcの観測に成功したのは，これが初めての例である．線材の両端においてはシースとの良質な結合状態が得られたものの，断面の中央においては空洞が多く見られ，この領域では粒間の伝導が悪いものと思われる．この原因は，熱処理時のSeTe の蒸発や，反応熱による線材の膨張だと考えている．

線材化プロセスに改良を加え，線材内部の超伝導相の充填率を上げ，粒間の結合を改善することができれば，Jc は大幅に上昇するものと考えている．実際に， FeSe1－xTex 単結晶を用いた磁化測定で，5 K において 1× 105 A/cm2 以上の Jc を持つという報告もある(20)．現在，加圧しながら加熱することができるホットプレスを用い，圧力下での熱処理を試みており，今後 Jc の大幅な上昇を期待している．また，低磁場領域で Jc が急激に減少しているが，これはピニングが弱いことを示唆しており，ピニングサイトの導入も今後の大きな課題である．さらに，今回考案した線材化プロセスは多芯化が容易に可能であり，今後は様々な多芯化プロセスを考案していきたい．
終わりに，本稿では， FeSe 系の超伝導特性と超伝導線材の試作について紹介したが，我々の最大の目標はさらに高いTc を持つ新材料を探索し，その応用開発をすすめることにある．さらに毒性が低く，銅酸化物高温超伝導体を上回る

ま て り あ 第48巻 第10号(2009)Materia Japan献( 1 ) Y. Kamihara, T. Watanabe, M. Hirano and H. Hosono: J. Am.
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