高温超伝導の謎がついに解明

数十年にわたり、ある種の結晶は、他の物質よりもはるかに高い温度で超伝導、つまり抵抗なく電流を流すという不可解な能力を示し、物理学者を困惑させてきた。

長年の歳月をかけて行われた実験により、この結晶の一つにおいて原子レベルでの超伝導が直接可視化され、ついにこの現象の原因がほぼ誰もが納得する形で解明されました。電子は互いに押し合い、摩擦のない流れを作り出しているように見えますが、これはこの謎自体と同じくらい古い由緒ある理論によって初めて示唆されたものです。

「この証拠は本当に素晴らしく、直接的だ」と、銅酸化物として知られる結晶の理論を構築し、この実験には関わっていないハーバード大学の物理学者、スビル・サッチデフ氏は語った。

「この問題に25年間取り組んできました。そして、ついに解決できたことを願っています」と、オックスフォード大学でこの新たな実験を率いたJC・シーマス・デイビス氏は述べた。「本当に興奮しています。」

この新たな測定値は、銅酸化物超伝導を超交換と呼ばれる量子現象に帰する理論に基づく予測と一致する。「定量的な一致に驚いています」と、カナダのシャーブルック大学の物理学者で、昨年この予測を行ったグループのリーダーであるアンドレ＝マリー・トランブレイ氏は述べた。

この研究は、この分野の長年の目標である、銅酸化物超伝導を基盤メカニズムとして強化し、より高温で超伝導可能な、世界を変革する材料を設計するという目標の実現を前進させるものです。室温超伝導は、日常の電子機器や送電線などに完璧な効率をもたらすでしょうが、その目標達成は依然として遠い道のりです。

「この種の理論が正しければ」とデイビス氏は超交換理論に言及し、「異なる場所に異なる原子を持つ合成材料を記述できるはずだ」と述べ、その場合の臨界温度はより高くなると述べた。

2つの接着剤

1911年に初めて観測されて以来、物理学者たちは超伝導現象の解明に取り組んできました。オランダの科学者ハイケ・カメルリング・オンネスと共同研究者たちは、水銀線を約4ケルビン（絶対零度より4度高い）まで冷却し、電気抵抗がゼロにまで急激に低下する様子を驚嘆の眼差しで観察しました。電子は、抵抗の源である原子と衝突しても熱を発生することなく、巧みに水銀線の中を進んでいきます。その仕組みを解明するには「一生をかけて取り組む」必要があるとデイビス氏は語りました。

1950年代半ばの重要な実験的知見に基づき、ジョン・バーディーン、レオン・クーパー、ジョン・ロバート・シュリーファーは、1957年にこの従来型の超伝導に関するノーベル賞受賞理論を発表しました。今日では「BCS理論」として知られるこの理論は、原子列を伝わる振動が電子を「接着」すると主張しています。負に帯電した電子が原子間を移動すると、正に帯電した原子核が引き寄せられ、波紋が発生します。この波紋が2つ目の電子を引き寄せます。激しい電気的反発を克服し、2つの電子は「クーパー対」を形成します。

「まさに自然のトリックです」と、ドイツのカールスルーエ工科大学の物理学者、イェルク・シュマリアン氏は述べた。「このクーパー対は本来発生するはずのないものです。」

電子が結合すると、さらなる量子的なトリックによって超伝導が避けられなくなります。通常、電子は重なり合うことはできませんが、クーパー対は異なる量子力学的法則に従います。クーパー対は光の粒子のように振る舞い、ピンの先端にいくつでも積み重なることができます。多数のクーパー対が集まり、単一の量子力学的状態、つまり「超流体」へと融合します。この状態は、通過する原子の存在を意識できなくなります。

BCS理論は、水銀をはじめとするほとんどの金属元素が絶対零度近くまで冷却すると超伝導を示すものの、数ケルビンを超えると超伝導が止まる理由も説明しました。原子の波紋は、接着剤としては非常に弱いものです。熱を上げると、原子は揺れ動き、格子振動は消えてしまいます。

そして1986年、IBMの研究員ゲオルク・ベドノルツとアレックス・ミュラーは、銅酸化物においてより強力な電子接着剤を発見しました。銅酸化物とは、銅と酸素の層が他の元素の層の間に散在する結晶です。彼らが30ケルビンで超伝導を示す銅酸化物を発見した後、研究者たちはすぐに100ケルビン以上、そして130ケルビン以上で超伝導を示す他の物質を発見しました。

この画期的な発見をきっかけに、この「高温」超伝導の起源となる、より強固な接着剤を解明するための広範な研究が始まりました。おそらく電子が密集して、不均一で波打つような電荷の集中を作り出しているのでしょう。あるいは、スピンを介して相互作用しているのかもしれません。スピンとは、量子サイズの磁石のように、電子を特定の方向に向ける固有の性質です。

故フィリップ・アンダーソンは、アメリカのノーベル賞受賞者であり、凝縮系物理学の伝説的人物でした。彼は、高温超伝導の発見からわずか数ヶ月後に、ある理論を提唱しました。彼は、この超伝導の核心には、電子の跳躍能力から生じる力である「超交換」と呼ばれる、以前から知られていた量子現象があると主張しました。電子が複数の場所の間を跳躍できる場合、ある瞬間における電子の位置は不確実になりますが、運動量は正確に定義されます。運動量が急激になればなるほど、運動量が低下し、したがってエネルギーの低い状態になり、粒子は自然にその状態を探し求めます。

結局のところ、電子は飛び移れる状況を求めているのです。例えば、隣の電子が上向きの場合、ある電子は下向きを好みます。この違いによって、2つの電子は同じ原子間を飛び移ることができるからです。このように、超交換は一部の物質において、電子スピンの規則的な上下上下のパターンを形成します。また、電子同士が一定の距離を保つように促します（離れすぎると飛び移れません）。アンダーソンは、この効果的な引力こそが強いクーパー対を形成できると考えました。

実験家たちは、反射率や抵抗など、彼らが測定できる物質の特性は、電子対ではなく、何兆もの電子の集団的行動の大まかな概要しか提供できなかったため、アンダーソンのような理論を検証するのに長い間苦労してきた。

「凝縮物質物理学の従来の技術はどれも、このような問題を解決するために設計されたものではありません」とデイビス氏は語った。

スーパー実験

オックスフォード大学、コーネル大学、ユニバーシティ・カレッジ・コーク、そしてドレスデンの国際マックス・プランク量子物質化学物理研究スクールに研究室を持つアイルランド出身の物理学者、デイビス氏は、銅酸化物を原子レベルで詳しく調べるためのツールを着実に開発してきた。以前の実験では、物質の超伝導の強さは、超伝導が始まる臨界温度に達するまで物質を冷却することで測定されていた。温度が高いほど、接着剤の強度が強いことを示している。しかし、過去10年間で、デイビス氏の研究グループは、個々の原子の周りに接着剤を刺激する方法を改良してきた。

研究チームは、走査トンネル顕微鏡と呼ばれる既存の手法を改良した。この手法では、針を表面に沿って動かし、その間を移動する電子の電流を測定する。針の通常の金属先端を超伝導先端に交換し、銅酸化物表面を走査することで、個々の電子ではなく電子対の電流を測定した。これにより、各原子を取り囲むクーパー対の密度をマッピングすることができ、これは超伝導の直接的な指標となる。研究チームは、クーパー対の群れを初めて撮影した画像を2016年にNature誌に発表した。

同年、中国の物理学者による実験が、アンダーソンの超交換理論を裏付ける重要な証拠を提供した。彼らは、銅酸化物中の銅原子と酸素原子の間を電子が容易に飛び移れるほど、その臨界温度が高くなり（したがって、その接着力がより強くなる）、その効果も大きくなることを示していた。デイビスらは、この2つのアプローチを単一の銅酸化物結晶に組み合わせることで、その接着力の性質をより決定的に解明しようと試みた。

彼によると、「ひらめき」の瞬間は2020年のZoomを使ったグループミーティングで訪れたという。研究者たちは、ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物（BSCCO、略して「ビスコ」）と呼ばれる銅酸化物に、彼らの夢の実験を可能にする特異な特徴があることに気づいた。BSCCOでは、銅原子と酸素原子の層が周囲の原子シートによって波状に圧縮される。これにより特定の原子間の距離が変化し、それがホッピングに必要なエネルギーに影響を与える。この変化は、格子を整然と並べることを好む理論家にとっては頭痛の種となるが、実験家にとってはまさに必要としていたもの、つまり1つのサンプルで様々なホッピングエネルギーを得ることができたのだ。

研究チームは、金属チップを備えた従来の走査型顕微鏡を用いて、電子を一部の原子に付着させ、他の原子から引き離すことで、銅酸化物中の電子移動エネルギーをマッピングした。次に、銅酸化物チップに交換し、各原子の周囲のクーパー対密度を測定した。

二つの地図は一致した。電子がホッピングしにくい場所では超伝導は弱く、ホッピングしやすい場所では超伝導は強くなった。ホッピングエネルギーとクーパー対密度の関係は、2021年にトレンブレイらが行った洗練された数値予測とほぼ一致し、この関係はアンダーソンの理論から導かれるはずだと主張した。

スーパーエクスチェンジスーパーグルー

ホッピングエネルギーが超伝導の強さと関連しているというデイビス氏の研究結果は、9月に米国科学アカデミー紀要に発表され、超交換が高温超伝導を可能にする強力な接着剤であることを強く示唆している。

「このアイデアが現実的であることをさらに示す新たな技術をもたらした素晴らしい研究だ」と、デイビス氏のグループと並行して銅酸化物やその他の超伝導の特殊な例を研究するために同様の技術を開発してきたプリンストン大学の物理学者アリ・ヤズダニ氏は述べた。

しかし、ヤズダニ氏をはじめとする研究者たちは、たとえ可能性は低くても、接着強度とホッピングの容易さが何らかの別の理由で同時に変化し、この分野が古典的な「相関＝因果関係」という罠に陥りつつある可能性を警告している。ヤズダニ氏にとって、因果関係を証明する真の方法は、超交換現象を利用して、いくつかの画期的な新しい超伝導体を開発することだ。

「完成したら、臨界温度であるT _{cを上げましょう」と彼は語った。}

超交換は新しい概念ではないため、多くの研究者が既にその強化方法について検討を重ねてきました。例えば、銅と酸素の格子をさらに圧縮したり、他の元素の組み合わせで実験したりするなどです。「すでにいくつかの予測が立てられています」とトレンブレイ氏は言います。

もちろん、原子の青写真を描き、研究者が求める特性を持つ材料を設計するのは、容易でも迅速でもありません。さらに、特注の銅酸化物であっても、既存の銅酸化物よりもはるかに高い臨界温度に到達できるという保証はありません。原子振動と同様に、超交換相互作用の強度にも上限がある可能性があります。全く異なる、そしておそらくより強力な接着剤の候補を研究している研究者もいます。また、従来の原子振動を強化するために、超自然的な圧力を活用している研究者もいます。

しかし、デイビス氏の研究結果は、銅酸化物超伝導体をより高いレベルに引き上げることを目指す化学者や材料科学者の努力に活力を与え、焦点を絞る可能性がある。

「材料を設計する人々の創造力は無限です」とシュマリアン氏は述べた。「あるメカニズムが正しいと確信すればするほど、そのメカニズムにさらなる投資をするのは自然な流れです。」

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。