物理学者は放射性高温超伝導体を受け取った

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ビデオ: 京都大学 「高温超伝導発見 ベドノルツ博士(ノーベル賞受賞者)を迎えて-大学への物理学:超伝導とトポロジー」前野 悦輝(京都大学大学院理学研究科 教授)2016年2月28日 2023, 2月
物理学者は放射性高温超伝導体を受け取った
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約100万気圧に圧縮され、約2000ケルビンの温度に加熱されたサンプルの写真

ロシアの物理学者は、新しい高温超伝導体である水素化トリウムThH10を入手し、その特性を実験的に測定しました。得られた化合物は、約85万気圧という記録的な低圧で安定したままであり、160ケルビン未満の温度と45テスラより弱い磁場で超伝導特性を保持します。さらに、科学者たちは、ThH10で誤って合成された他のいくつかの水素化トリウムの特性を測定しました。記事はMaterialsTodayに掲載され、作品のプレプリントはarXiv.orgWebサイトに掲載されています。

長い間、銅酸化物は最も「耐熱性」の超伝導体の称号を保持していました。まず、これらの化合物は、液体窒素の沸点を超えてその特性を保持した歴史上最初の超伝導体でした。第二に、1993年に合成され、164ケルビン(摂氏-109度)の温度で超伝導状態に入る銅酸化物HgBa2Ca2Cu3O8 + xの記録が20年以上保持されました。

とはいえ、2015年にこの記録は、150万気圧に圧縮された、根本的に新しい化合物である通常の硫化水素によって破られました。このような極端な条件下では、硫化水素は超伝導状態になり、203ケルビン(摂氏-70度)に加熱されたときに残ります。さらに、硫化水素超伝導の発見直後、理論家は、同等の圧力で高温超伝導体に変わる多くの水素化物を予測しました。これまで、科学者たちは、リン、イットリウム、セリウム、ウラン、ランタンの水素化物が同様の特性を持ち、後者が約260ケルビン(摂氏-13度)の温度で超伝導体になることを実験的に確認しました。残念ながら、これらの化合物はすべて、100万気圧のオーダーの非常に高い圧力でのみ安定しています。したがって、室温に非常に近い高い臨界温度にもかかわらず、これらの超伝導体は実際には使用できない。

SkoltechとMIPTの従業員であるロシア科学アカデミーの結晶学研究所のArtemOganovとIvanTroyanの指導の下、MEPhI、FIAN、フランス、中国の研究者グループが、別の水素化物の高温超伝導を実験的に確認しました。水素化トリウムThH10。昨年、科学者たちはすでにUSPEX(Universal Structure Predictor:Evolutionary(X)Crystallography)アルゴリズムを使用してこの化合物を理論的に調査しました。その後、物理学者は、この超伝導体の臨界温度が記録より20度低いことを発見しましたが、その作成には、既知のすべての水素化物の中で最も低い圧力が必要です(ThH10は80万気圧未満の圧力で「崩壊」します)。これにより、水素化トリウムは最も有望な超伝導水素化物の1つになりました。

現在、科学者は予測された特性を実験的に確認しています。水素化トリウムを合成するために、物理学者はトリウムとボラザンの混合物をタングステンガスケット付きのダイヤモンドアンビルのセルにロードしました。このアンビルを使用して、研究者はサンプルを170万気圧に圧縮し、4つのレーザーパルスを使用して1800ケルビンに加熱しました。得られた物理サンプルの結晶構造は、X線回折分析を使用して決定されました。その後、科学者たちはセル内の圧力をゆっくりと下げ、サンプルの温度を測定して状態方程式を再構築しました。全体として、得られた結晶構造と状態方程式は理論的予測と一致していました。予想通り、85万気圧のオーダーまで、化合物は安定したままでした。

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理論的予測(破線)と比較した実験で得られた水素化物の状態方程式(さまざまな形状の点)

臨界温度と臨界磁場を測定するために、科学者たちはわずかに修正された形で実験を繰り返しました。まず、圧搾する前に、研究者たちは金メッキされたタンタル電極の間にサンプルを固定しました。次に、サンプルを外部電界から分離するために、物理学者は酸化マグネシウムの層をガスケットに挿入しました。それ以外の点では、水素化物を取得する手順は前の実験とほとんど変わりませんでした。サンプルが取得された後、科学者は抵抗がゼロに低下するまでサンプルを冷却しました。研究者たちは、ゼロ以外の外部磁場に対してこれらの測定を繰り返しました。残念ながら、今回の実験は理論から大きく逸脱しました。外部磁場がゼロの場合、得られたサンプルの臨界温度は160ケルビンで、予測値(240ケルビン)の1.5分の1でした。同時に、臨界磁場(45テスラ)は全体として理論(38テスラ)と一致しました。

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ThH10水素化物耐性の温度依存性

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ThH9水素化物耐性の温度依存性

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水素化物ThH9(丸)とThH10(四角)の臨界磁場の温度依存性

さらに、科学者たちは、実験中に誤って合成された他の水素化トリウムについても同じ測定を繰り返しました。これらの化合物の1つであるThH9水素化物も、あまり有望ではありませんが、超伝導体であることが判明しました。同様の条件下で、その臨界温度は146ケルビン、臨界磁場は38テスラでした。さらに、それはより速く崩壊しました(ThH9は約100万気圧の圧力で「崩壊」しました)。残りの2つの化合物、水素化物ThH4とThH6について、科学者は状態方程式を測定し、それを下回ると化合物が分解し始める臨界圧力を決定しました(それぞれ、86万気圧と104万気圧)。これらの化合物は超伝導特性を持っていませんでした。

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新たに得られた3つの水素化物の構造

オガノフのグループは2004年からUSPEXアルゴリズムに取り組んでおり、その間、科学者たちは高圧で形成される多くの異常な物質を予測することができました。特に、このアルゴリズムを使用して、化学者は新しい超硬材料を開発し、高圧で一酸化窒素が超伝導特性を獲得し、ヘリウムがナトリウムと安定した化合物を形成することを示し、酸化アルミニウムの古典的な化学形態では「不可能」であることも発見しました、塩化ナトリウム、化合物マグネシウム、シリコン、酸素。予測される化合物のほとんどは、実際にはすでに取得されています。 USPEXアルゴリズムで行われた発見のより完全なリストは、アルゴリズムのWebサイトにあります。

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4番目の段落では、研究参加者とその所属に関する情報が追加されました。読者の皆様にはお詫び申し上げます。

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