新しい規則性を持つペロブスカイト型酸化物超伝導体を発見

トピック

・新規ビスマス酸化物超伝導体(Na_0.25K_0.45)(Ba_1.00)₃(Bi_1.00)₄O₁₂を発見した。

・A-サイトオーダーダブルペロブスカイト型構造における初めて超伝導物質である。

・高温超伝導体の探索や超伝導メカニズムの解明の新たな指針となる。

●概要

本研究センターの熊田伸弘教授、田中 功教授、東京工業大学応用セラミックス研究所の東 正樹教授、広島大学大学院理学研究科の黒岩芳弘教授らの研究グループは、新規ビスマス酸化物超伝導体(Na_0.25K_0.45)(Ba_1.00)₃(Bi_1.00)₄O₁₂を発見しました。この超伝導体はバリウムとナトリウムおよびカリウムが規則的に配列するA-サイトオーダーダブルペロブスカイト型構造であり、高温超伝導体探索およびメカニズムの解明に新たな指針を与えるものです。

この研究成果は、ドイツの科学誌｢Angewandte Chemie International Edition（応用化学誌 国際版）｣のオンライン版で2月27日に公開されました。

●背景

超伝導体は、リニアモーターカーやMRIなどで用いられている重要な機能材料ですが、超伝導を示す温度が極低温であるため、冷却に膨大なエネルギーが必要です。この問題を解決する夢の材料「室温超伝導体」を目指し、これまでに銅系超伝導体、ビスマス系超電導体、鉄系超伝導体などさまざまな種類の高温超伝導体がこれまでに開発されています。また、高温超伝導発現メカニズムの解明は、科学的に重要な未解決問題の一つとなっています。

●研究の経緯と研究成果

本研究では、人工水晶などの合成に用いられている水熱反応を用いることでナトリウム、カリウム、バリウム、ビスマス、酸素で構成されるペロブスカイト化合物を合成し、超伝導転移を27 Kで確認しました（図１）。また、圧粉体においてゼロ抵抗を確認しました。電子線回折とSPring-8を用いた高輝度放射光回折実験により、これまでに報告されているペロブスカイト型超伝導体とは異なり、A-サイトオーダーダブルペロブスカイト型構造と呼ばれる、長周期の結晶構造をもつことがわかりました（図２）。この構造中では、ABO₃で表されるペロブスカイト型酸化物のAサイトが、バリウムを占めるサイトとナトリウム又はカリウムが占めるサイトの二種類になり、通常のペロブスカイト型構造の二倍の周期性を持ちます。A-サイトオーダーダブルペロブスカイトは磁気抵抗効果、負の熱膨張など多彩な機能を示すことから近年注目を浴びている物質群ですが、超伝導が見つかったのはこれが初めてです。また、無機材料としては比較的低温の220 ℃で合成できること及び毒性の強い元素が使われていないことも、この新規超伝導体の優れた特徴であります。

●今後の展開

この新規超伝導体の転移温度は低温ですが、組成や結晶構造を調整することによるさらなる超伝導転移温度の向上や、長周期規則性を持つ結晶構造と超伝導発現との関連性を解明することで、高温超伝導体探索の新たな指針となることが期待できます。

●付記

本研究は、Rubel M.K. Mirza 本学グリーンエネルギー変換工学特別教育プログラム博士課程2年生、本研究センター三浦章助教、武井貴弘教授、M. Mozahar Ali 本学研究生、長尾雅則 助教、綿打敏司 准教授、岡研吾 東京工業大学特任助教、馬込栄輔 広島大学助教、森吉千佳子同准教授、A. K. M. Azharul Islam ラジャヒ大学物理学科教授（バングラデシュ人民共和国）との共同で行われました。

【論文名】

“Superconducting double perovskite bismuth oxide (Na_0.25K_0.45)(Ba_1.00)₃(Bi_1.00)₄O₁₂ prepared by a low-temperature hydrothermal reaction”

「低温水熱反応より合成されたビスマス酸化物ダブルペロブスカイト超伝導体(Na_0.25K_0.45)(Ba_1.00)₃(Bi_1.00)₄O₁₂」

図１　合成された新規超伝導体の磁化率曲線。27 Kでの超伝導転移が確認できる。

図２　ペロブスカイト構造とA-サイトオーダーダブルペロブスカイト構造の模式図。ペロブスカイトは一種類のAサイトを持つが、A-サイトオーダーダブルペロブスカイト構造ではAサイトがA’とA”サイトの二種類のサイトを持つことで、二倍の周期構造を持つ。本研究で発見された超伝導体では、A’サイトにはナトリウムとカリウム、A”サイトにはバリウムが占有している。