タンタルポリヒドリドが新興高級クラスに加わる

Jul 31, 2023

北京の中国科学院の研究者によると、ポリ水素化タンタルは温度30K、圧力約200ギガパスカル（GPa）で超伝導体になるという。 5族遷移金属から作られた水素化物で超伝導が観察されたのはこれが初めてであり、研究チームのメンバーらはこの発見が金属水素の合成への道を開く可能性があると述べている。

超電導体は、超電導転移温度 (Tc) 以下に冷却すると電気抵抗なしで電流を流す材料です。 これらは、MRI スキャナーや粒子加速器の高磁場磁石から量子コンピューターの量子ビットに至るまで、幅広い用途で使用されています。 しかし、ほとんどの超電導体の Tc は絶対零度よりほんの数度高いだけであり、いわゆる高温超電導体であっても、抵抗なく電気を通すことができるようになるには 150 K 以下に冷却する必要があります。 したがって研究者らは、高温でも、理想的には室温でも超電導を維持する材料の開発を模索している。

理論的には、極度の高圧で発生すると予想される水素の金属状態は、室温では超伝導体となるはずです。 残念ながら、純粋な水素を金属にすることは非常に困難です。 代替策として、科学者たちは水素と金属からなる化合物である水素化物の研究を開始しました。

過去数年以内に、水素化硫黄とポリ水素化物は両方とも、海面大気圧の100万倍以上高い圧力下ではあるものの、200Kを超える温度で超伝導することが判明した。 このクラスの他の超電導材料には、LaH10 や YH9 などの希土類水素化物や、CaH6 などのアルカリ土類水素化物などがあります。 ジルコニウム、ルテチウム、スズを含む水素化物も同様に、適度に高い Tc を持つことが判明しています。

ほとんどの 3d 遷移金属は、超伝導に反する磁気変動を示す傾向のある局所的な電子スピンを持っています。 このため、研究者は Hf や Ta などの 5d 遷移金属に注目しています。 実際、ハフニウム多水素化物は約 83 K で超電導になります。

Changqing Jin 氏率いる研究チームは、追加の超電導水素化物であるポリ水素化タンタル (TaH3) を合成しました。 彼らはこの材料をダイヤモンドアンビルセルに入れて実験を行い、200 GPaの圧力でこの材料が約30 Kで超電導になることを観察した。これにより、この材料は5族金属から作られた初の超電導水素化物となる、とジン氏は述べている。彼らは、その場での電気伝導度および高圧でのX線回折測定を使用して超伝導相を研究した。

水素化ルテチウムで「周囲環境に近い」超伝導の証拠が見つかる

ジン氏は、タンタルは格子間元素に対する耐性が高く、格子内に 3 つ以上の水素原子を収容できると説明しています。 しかし、これらの原子は相互に離れすぎているため、電子が材料内の異なる部位間を直接飛び越えて、散逸のない電流を生成できません。 「したがって、私たちが観察した超伝導はTaとHの軌道間の混成に関連していると考えられます」と彼はPhysics Worldに語った。 「これは、非常に高密度のケージを形成する隣接する H 原子の間を電子が直接飛び越えることができる、水素化カルシウムや希土類ポリ水素化物超伝導体で期待されるものとはまったく異なります。」

TaH3 における超伝導の観察は、H と他の元素の間の共有結合を金属化することによって金属水素が実現される可能性があることを示唆しています。 Chinese Physics Letters で自分たちの研究を報告している研究者らは、現在、これらの共有結合を含む他のポリ水素化物超伝導体を探索する計画を立てていると述べた。