【概要】

１．NIMSと東北大学、東京大学、理研などで構成される国際研究チームは、温度－23℃というほぼ室温で超伝導になる高圧下ランタン水素が、原子核の量子ゆらぎ^※1のおかげで広い圧力域で安定に存在する「量子固体^※2」であることをコンピュータシミュレーションにより発見しました。この発見は、水素を多く含んだ水素リッチ化合物による高温超伝導^※3やさらには室温超伝導^※3がこれまで考えられていたよりも遙かに低い圧力で実現できる可能性を示しています。

２．超伝導物質はゼロ抵抗でエネルギーロスの無い送電が可能であるため、環境エネルギー問題解決のカギとして注目されています。特に室温超伝導の実現は人類の長らくの夢であり、これまで多くの研究が行われてきました。そのような中、130~220 GPa^※4の高圧力下でランタン水素が絶対温度^※5250Ｋ（－23℃）というほぼ室温で超伝導化することが2019年に報告され、それまでの超伝導転移温度^※3の最高記録を塗り替えました。高い温度で超伝導を実現する立方晶構造のLaH₁₀は130~220 GPaの広い圧力域で安定に存在しています。しかし、これまでの理論計算はこの構造を安定化するには230 GPa以上の高圧が必要であると予測していました。なぜ理論予測より100 GPaも低い圧力で立方晶構造が安定なのか、その理由に注目が集まっていました。

３．本研究では、これまでの理論計算で無視されていた原子核の量子ゆらぎに注目し、この効果を取り入れたコンピュータシミュレーションを行いました。その結果、高圧下ランタン水素において水素原子核の量子ゆらぎが極めて大きいこと、そして立方晶LaH₁₀が量子ゆらぎ効果によって広い圧力域で安定化している「量子固体」状態であることを明らかにしました。また、量子ゆらぎ効果を考慮した計算によって、実験で得られた超伝導転移温度を圧力依存性も含め精度良く説明することにも成功しました。

４．原子核の量子ゆらぎは、多くの物質で見られる普遍的な現象です。現在、高圧下ランタン水素の超伝導転移温度をさらに塗り替える別の水素リッチ化合物の発見が期待されています。量子ゆらぎ効果を考慮する本研究のシミュレーション手法を用いることで、そのような候補物質の組成・構造の理論予測がより高い精度で可能になります。今後は適用対象を広げ、室温超伝導物質の理論予測を目指します。

５．本研究は、物質・材料研究機構 磁性・スピントロニクス材料研究拠点の只野央将研究員、東北大学理学研究科の是常隆准教授、東京大学大学院工学系研究科の有田亮太郎教授（理化学研究所創発物性科学研究センター計算物質科学研究チームチームリーダー）、バスク大学のIon Errea博士、マックス・プランク研究所のAntonio Sanna博士、ソルボンヌ大学のMatteo Calandra博士、ローマ・ラ・サピエンツァ大学のFrancesco Mauri教授、José A. Flores-Livas博士らからなる国際研究チームによって行われました。また、本研究の一部は科研費 (No. 16H06345)「強相関物質設計と機能開拓 －非平衡系・非周期系への挑戦－」、 (No. 18K03442)「第一原理計算に基づく多面的なアプローチによる超伝導物質探索」、 (No. 19H05825)「量子液晶の理論構築」の一環として行われました。

６．本研究成果は、Nature誌にて現地時間2020年2月5日午後6時（日本時間6日午前3時）にオンライン掲載されました。

【用語解説】

(1) 原子核の量子ゆらぎ：
量子力学効果によって生じる原子核のゆらぎ。古典力学では原子核を空間に静止した粒子と見なしますが、量子力学では空間に広がった波として考えます。すべての原子やイオンはこの量子ゆらぎによってゆらいでいますが、原子の質量が大きい場合はそのゆらぎが非常に小さいため極低温では静止した粒子と見なせます。しかし、水素原子核のように質量が軽い場合は量子ゆらぎが大きくなるため、その効果を量子力学的に取り扱う必要があります。

(2) 量子固体：
量子ゆらぎ効果が大きな固体のことです。最も有名な例としては固体ヘリウムが量子固体であることが知られています。

(3) 高温超伝導、室温超伝導、超伝導転移温度（T_c）：
超伝導とはある物質を冷却すると起こる現象のことで、超伝導になる温度の事を超伝導転移温度（T_c）と呼びます。超伝導状態では電気抵抗がゼロになるため、損失ゼロの送電が可能になります。アルミニウムなどの単純金属のT_cは非常に低く、マイナス270℃程度まで冷却しないと超伝導になりません。高温超伝導とは液体窒素温度（マイナス196℃、絶対温度^※577 K）以上で起こる超伝導を指すことが多く、室温超伝導とはT_cが室温（〜0℃以上）を超える超伝導を表します。これまでに見つかったT_cの最高記録は今回の研究対象である高圧下ランタン水素のマイナス23℃で、室温超伝導を示す物質は未だに発見されていません。

(4) Pa（パスカル）：
圧力の単位。1 GPa（ギガパスカル）は約１万気圧に対応します。

(5) 絶対温度：
温度の単位。マイナス273.15℃をゼロとした温度の測り方で、熱力学温度とも呼ばれます。単位はK（ケルビン）です。温度0 Kを絶対零度と呼びます。

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究内容に関すること）
国立大学法人 東北大学　大学院理学研究科物理学専攻
准教授　是常隆（これつね　たかし）
E-mail: koretsune*cmpt.phys.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）
URL: http://www.cmpt.phys.tohoku.ac.jp/~koretsune/index_j.html

（報道・広報に関すること）
東北大学大学院理学研究科・理学部　広報・アウトリーチ支援室
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