産経WEST

【坂口至徳の科学の現場を歩く】鉛筆の芯も超伝導に…カリウム原子の並ぶ様子を可視化 奈良先端大など、温度を高める手がかり

産経WEST 産経WEST

記事詳細

更新

【坂口至徳の科学の現場を歩く】
鉛筆の芯も超伝導に…カリウム原子の並ぶ様子を可視化 奈良先端大など、温度を高める手がかり

上は黒鉛にカリウム、カルシウムを添加した超伝導化合物の光電子ホログラム。左下はホログラムのデータから再生した画像でカリウム(赤色)が六角形に結合した炭素(青色)の層の間に挿入されている。その立体的な模式図が右下でカリウム(黄色)と炭素(赤色)の配置がわかる(奈良先端大提供) 上は黒鉛にカリウム、カルシウムを添加した超伝導化合物の光電子ホログラム。左下はホログラムのデータから再生した画像でカリウム(赤色)が六角形に結合した炭素(青色)の層の間に挿入されている。その立体的な模式図が右下でカリウム(黄色)と炭素(赤色)の配置がわかる(奈良先端大提供)

 鉛筆の芯(しん)の材料としてなじみ深い黒鉛は炭素の結晶だが、カリウムやカルシウムなど異種の原子を不純物として挿入し、極低温にまで冷却すると電気抵抗ゼロの超電導状態になることが知られている。どこにでもある炭素が使えるため、添加する原子の組み合わせを変えるなどしてできるだけ高い温度で容易に超伝導を実現する研究が世界各国で進められているが、「炭素の結晶の中に不純物の原子がどのような並び方で入っているか」という研究の突破口になる詳細な構造と仕組みは不明だった。

 奈良先端科学技術大学院大学の松井文彦准教授、大門寛教授、高輝度光科学研究センターの松下智裕主席研究員らと岡山大学の共同研究グループは、X線照射により結晶に含まれる原子の配列のようすを直接可視化する方法を開発。この手法を使って、黒鉛の結晶に不純物として挿入されたカリウム原子周辺の立体的な原子配列を再生することに成功した。さらに、このデータをもとに物質・材料研究機構と大阪大学の研究グループが、理論計算で精緻な原子構造を決定した。この成果は英国のオンライン科学誌「サイエンティフィック・レポーツ」に掲載された。

 黒鉛の結晶は、炭素同士が蜂の巣のように六角形の網目をつくって平面に結合したうえ、それが層をなして積み重なっている。その層の間に不純物の原子を挿入すれば、カリウムでは約0.14K(ケルビン、0Kは氷点下273.15度)、カルシウムで約11.5Kの極低温で超伝導状態になる。また、岡山大学異分野基礎科学研究所の久保園芳博教授らは、カリウム、カルシウムなど複数腫の元素を組み合わせて少しずつ添加していけば、超伝導になる温度を連続的に変えられることを発見している。しかし、これらの化合物は空気中で酸化されやすいので構造解析などの研究は困難だった。

続きを読む

関連ニュース

【坂口至徳の科学の現場を歩く】画期的モバイル電源に…水素を廃棄物から生成する触媒技術、阪大が世界初提案

「産経WEST」のランキング