議論にもかかわらず、超伝導体研究が「黄金期」である理由

ㅏ 自然 先週の撤回により、常温超伝導性に関する最新の主張が中止されました。 研究者たちは、廃熱を生成せずに冷蔵せずに電気を伝導できる物質を作ったと述べた。¹。

撤回² 今年初め、ソーシャルメディアで口コミを出したLK-99と呼ばれる超伝導体に対するより恥ずかしい主張が崩れたことによるものです。

自然は論争の余地がある超伝導論文を撤回します。

これらの世間の注目を集めるイライラにもかかわらず、超伝導研究者たちは、この分野がある程度ルネサンスを楽しんでいると言います（「年代表：超伝導マイルストーン」を参照）。 「それは死んでいる分野ではありません。むしろ、」ローマのサピエンザ大学でコンピュータ予測を専門とする物理学者であるLilia Boeriは言います。 これらの進歩は、未発見の物質の存在と特性を予測するコンピュータシミュレーションの新機能によって部分的に促進された。

関心の大部分は、高圧で維持される限り、ますます高い温度で超伝導性を示す水素に富む物質である「スーパー水素化物」に集中している。 撤回されたトピック 自然 紙は水素、ルテチウム、窒素で作られた物質として知られていました。 しかし、ここ数年間の研究を通じて革命的な特性を持つことができる様々な材料群が発掘されました。 アイオワ州立大学エイムス国立研究所（Ames National Laboratory）の物理学者であるポール・キャンフィールド（Paul Canfield）は、「本当に私たちは数多くの新しい超伝導体を発見できる危機に瀕しているようです」と述べました。

サーフィン電子

超伝導性は、固体の電子が結合して「クーパーペア」を形成するときに発生します。 これにより、通常よりも多くの電子が物質内部で同時に移動することができ、その結果、電子は廃熱を発生させることなく電流を伝達することができる。

「従来の」超伝導体では、電子は物質の振動によって互いに押し付けられ、クーパー対を形成します。 クーパーペアは、波の上のサーファーのように燃える機械的波です。 2000年代半ばまで、研究者たちは通常、このメカニズムが最大約40ケルビンの非常に低い温度でしか機能しないと考えました。 単一の元素で作られた超伝導体はすべて、これらの特性を示すために10ケルビン未満の温度を必要とします。 2001年に発見された従来の超伝導体である二ホウ化マグネシウム(Magnesium diboride)^サム 日本の岡山大学の秋光潤（Jun Akimitsu）が率いるチームが最高温度記録を39ケルビンに高めました。

スーパー水素化物の基礎は2004年に設けられたが、この時、高理論物理学者であるニール・アシュクロフト(Neil Ashcroft)は、特定元素が水素と結合できる化合物を形成して水素を強制的に生成するのに十分な圧力を加える。他の材料よりもはるかに高い温度で超伝導を引き起こす可能性があると予測した。 原子が互いに近づく⁴。

アシュクロフトの理論によれば、水素原子が近接すると機械的振動の頻度が増加し、超伝導性を維持しながら物質がより暖かくなる可能性がある。 しかし問題がありました。 これらの物質の一部が存在するためには、地球の中心部にあるのと同様の圧力が必要であるということです。

ダイヤモンドモール内部の小さなサンプルに対して高圧実験を行い、その結果を測定する技術の発展は、2015年ドイツマインツにあるマックスプランク化学研究所の物理学者ミハイル・エレメット（Mikhail Eremets）とその仲間たちが初めて超伝導性を立証しながら画期的な発展を遂げました。 超水素化物、硫化水素から⁵。 それ以来、科学者たちはこのシリーズにいくつかの異なる超伝導材料が存在すると予測してきました。

現在、あらゆる種類の「最も熱い」超伝導体はランタン十二水素化物と見なされています。⁶最低250ケルビンの温度で高圧の既存の超伝導体として実証された超水素化物クラスのメンバーです。

高度なシミュレーション

Eremetsと他の人々は、理論、シミュレーション、材料合成、実験の相互作用が発展にとって非常に重要であると言います。 2000年代初頭から、特定の結晶構造と化学組成を持つ物質が超伝導体になることができるか、どの温度でこれらの特性を示すことができるかをシミュレーションを通じて予測することが可能になりました。 しかし、次の主な変化は、材料の特性だけでなく、特定の要素の混合でどの材料を形成できるかを予測できるアルゴリズムの導入でした。 Boeriは「それまでは重要な部分が欠けていました。つまり、最初に化合物が形成できるかどうかを理解することでした」と述べました。

硫化水素が超伝導体であるという2015年の発見は、前年に行われたコンピュータシミュレーションと一致しました。⁷。 構造予測の急速な発展がなければ、水素に富んだ超伝導体の発見は、「おそらく次の世紀の間には起こらなかっただろう」と構造予測アルゴリズムを開拓したモスクワスコルコボ科学技術研究所の材料科学者アルテムオルガノフは言った。 。 特に彼の「進化的」アルゴリズムは、所与の圧力でエネルギーが最も低い原子の構成を見つけ、したがって、所与の圧力で形成され安定して維持される最良の機会を見つける。

シミュレーションは、原子が互いに密接に押し込まれ、外部電子だけでなく、より多くの内部電子を介しても相互作用し始め、化学教科書の教義から外れる高圧での物質の挙動を予測するために特に重要です。 ウィンドウ。 これの例には、高圧でのみ存在できる六水素化リチウムがあります。 「一般化学の授業を受ける人なら誰でもLiHのようなものがあると言うでしょう。₆ ニューヨークのバッファロー大学の計算化学者であるEva Zurekは言う。

これまで超伝導性のために水素と結合できる最高の元素を探している理論家たちは周期律表のほとんどを試してみました。 彼らはまた、2つ以上の元素と水素の組み合わせをシミュレートし始めました。これは計算上はるかに難しく、スーパーコンピュータが必要です。 最良の結果を提供する元素は、カルシウム、リチウム、ランタンなどの表の左側にある金属のようだとOganovは言います。 この作業に最も適した要素の1つは、重金属アクチニウムであると予想されます。 この理論をテストするのは難しいでしょう。 アクチニウムは極めてまれで、放射性が高い。

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シミュレーションでは、Boeriと他の人々は、実際の結晶構造のために水素原子が互いに近接するホウ素を含むいくつかの化合物を実験しました。 シミュレーションは、この「化学圧力」が外部圧力の必要性を減らし、まだ結晶の高い振動周波数を達成し、クーパーペアを高温に保つことを示唆しています。

おそらくはるかに有望なのは、圧力を受けずに高周波で振動する共有結合を持つ構造です。 Boeriと彼女の同僚は、シミュレーションによって、超伝導体である二ホウ化マグネシウムに似た構造を持ついくつかの物質が、かなりの110ケルビンで超伝導性を示すことができることを発見しました。⁸。 室温とは離れていますが、維持するために高価な液体ヘリウム極低温を必要としないほど十分に暖かく、代わりに液体窒素に基づくより簡単な冷却システムを可能にします。

「周囲圧力と室温は難しいです。誰もすぐにそれを期待しません」とEremetsは言います。 しかし、液体窒素温度で動作するより多くの超伝導体を作るための進展は「本当にすごいもの」と彼は付け加えました。

未知のメカニズム

クーパー対が固体の機械的波ではなく、まだ発見されていないメカニズムによって形成される「非伝統的」超伝導体に対する関心もまた高まっている。 これらの物質には、1980年代に最初に発見された銅酸塩と呼ばれる銅および酸素ベースの物質が含まれます。 超水素化物が登場するまで、キュレートは最高温度の超伝導体であった。 費用がかかり、作業するのは困難ですが、技術的に高度なアプリケーションが見つかり、将来の核融合炉と粒子加速器にとって重要になる可能性があります。 彼らは基本的なレベルでまだ神秘的です。 キュレート内の電子の複雑な行動を理解することは、理論物理学者が扱いにくい問題の1つと考えています。

常温超伝導体は科学をどのように変えるのか？

2019年に新しい種類の非伝統的な超伝導体が発見され、新しい楽観論が生まれました。 この「ニッケル酸塩」は銅ではなくニッケルをベースにしており、7月に結果が発表されました。⁹ カリフォルニア州スタンフォード大学の物理学者イ・ギョホと彼の同僚は、2人の家族が同様の行動を示すと提案しました。 ニッケル酸塩を研究することは、研究者がついにキュプレートの働き方を明らかにするのを助けることができるとLeeは言います。 「ニッケルシステムで超伝導性を求めるすべての動機は、他の物質から銅酸塩などの超伝導体を確立する努力の1つでした」

従来の方法でも非伝統的な方法でも、周囲条件（圧力と温度の両方）で動作する超伝導体を見つけることは最終的に不可能かもしれません。 中国上海高圧科学技術高等研究センター所長マオホグァンは「絶対ないとは言えないが、そのような物質が発見される可能性は希薄に見える」と話した。

スーパー水素化物を使った画期的な発展は、ゴム的だったとOganovは言った。 「我々は、常温超伝導が達成できない物理的な理由が全くないことを知っています。」

Canfieldは「今は本当に超伝導探査の興味深い黄金時代です」と言います。