超伝導の空間的な乱れを可視化する新たな顕微観察技術の開発

超伝導材料の高性能化に役立つ新手法として期待

本研究チームが世界で初めて成功した、特定の電子を選択して観測することで、
銅酸化物高温超伝導体の微小表面で超伝導ギャップの不均一性が存在していることを
表した図。(左)マイクロ集光放射光を用いた顕微光電子分光実験の概念図。(中央)
異なる位置で測定したエネルギー分布曲線で、超伝導ギャップの大きさの空間依存性
が確認できる。超伝導ギャップの空間分布図(右上)・頻度分布図(右下)においても、
不均一性が確認できる。

国立大学法人 広島大学
国立研究開発法人 量子科学技術研究開発機構
大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構

本研究成果のポイント

・超伝導の空間的な乱れを可視化する新たな放射光顕微観察技術を世界で初めて開発
・高温超伝導材料の品質劣化を招く局所的な超伝導特性の変化の要因を探索可能に
・超伝導材料の高性能化や新奇な超伝導現象の解明に期待

概要

広島大学大学院先進理工系科学研究科博士課程後期3年の宮井雄大、広島大学放射光科学研究所の島田賢也教授、量子科学技術研究開発機構の岩澤英明プロジェクトリーダー(広島大学放射光科学研究所客員研究員)、および高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所の小澤健一教授らを中心とする研究チームは、放射光を用いた顕微実験技術とデータサイエンスの手法を組み合わせ、銅酸化物が示す高温超伝導の強さを表す「超伝導ギャップ」が、10マイクロメートル(100分の1ミリメートル)ほどの微小なスケールで、空間的に不均一であることを世界で初めて可視化することに成功しました。この発見は、超伝導の局所的な変化を引き起こす要因を解明するうえで重要な一歩であり、将来的には不均一性の制御を通じて、銅酸化物をはじめとする高温超伝導材料の高性能化や新たな超伝導現象の解明に貢献することが期待されます。高温超伝導体は、安価な冷却材である液体窒素で冷却できる温度で、電気抵抗がゼロになることから、省エネルギー技術の発展や脱炭素社会の実現に大きな期待が寄せられています。この高温超伝導体を用いたエネルギーデバイスの実現には、超伝導ギャップが大きく、かつ空間的に乱れのない材料を開発する必要があります。しかし、これまで超伝導ギャップの空間分布を正確に観察する手段がなく、その実現が望まれていました。そこで本研究では、これを可能にする顕微技術を開発しました。また、本開発技術により空間分解能が向上し、得られる実験データ量が数百倍以上増加するため、データサイエンスの手法で処理を行い、可視化する手法も開発しました。これらにより高温超伝導を特徴付ける超伝導ギャップが、10マイクロメートルほどの微小領域で、空間的に不均一になっていることを世界で初めて可視化することに成功しました。さらに、高温超伝導の特性を最も強く示す電子の空間分布まで調べられるようになり、超伝導の不均一性の要因を探ることも可能となりました。
本技術は、高温超伝導デバイスの評価や動作原理の解明などにも広く適用できる実験手法であるため、物質・材料科学や応用科学分野での大きな貢献が期待されます。

本成果は英国Taylor & Francisグループが発行するScience and Technology of Advanced Materialsに10月28 日付け(現地時間)で掲載されました。

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