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中国が高温超伝導で新たな飛躍的進歩を達成！

南方科技大学の学長である薛其坤院士率いるチームの最新の研究結果が、迅速な処理を経てネイチャー誌に掲載された。

従来の銅や鉄をベースとした超伝導体とは異なり、この成果はニッケルをベースとした化合物がマクミラン限界（40K）を突破した初めての事例となります。

研究チームが新たに開発したニッケル系材料は、超伝導開始転移温度が45K （-229℃）であり、「ゼロ抵抗」と「反磁性」という2つの特性を観測することに成功しました。

その背後では、3年以上にわたる努力を経て、チームは二層ニッケル酸化物材料の固有の課題を克服する新しい薄膜成長技術を開発しました。

薛其坤院士は、これは酸化物薄膜エピタキシャル成長技術における大きな飛躍であると説明した。

ニッケル系材料がマクミラン限界を突破

本研究では、常圧で高温超伝導を実現するために、希土類元素を部分的に置換した二層ニッケル酸化物であるLa2.85Pr0.15Ni2O7を用いた。基本材料はLa3Ni2O7（2023年に中山大学の王孟教授らのチームが発見した高温超伝導材料）である。

具体的には、研究者らは SrLaAlO4 基板上に 3 セル厚の La2.85Pr0.15Ni2O7 超伝導膜をエピタキシャル成長させました。

Laの15%がPrに置換された。この膜は、NiO2面内に約2%の圧縮歪みを持つ正方晶構造を示す。

(注: La = ランタン、Pr = プラセオジム、Ni = ニッケル、Sr = ストロンチウム、Al = アルミニウム)

この材料はマクミラン限界を超えた最初のニッケルベースの材料です。

1957 年、J. バーディーン、L.V. クーパー、J.R. シュリーファーは、近自由電子モデルに基づく BCS 理論を提唱し、従来の金属および合金の超伝導体のメカニズムを微視的レベルで説明しました。

マクミランらは、強い電子-フォノン結合下のBCS理論に基づき、当時発見されたいくつかの超伝導体の実験データに基づいて経験的な外挿を行い、常圧下での超伝導体の臨界転移温度は40K（-233℃）を超えてはならないと提唱し、これは「マクミラン限界」として知られています。

その後、銅系、鉄系ともにマクミラン限界を突破し、今度はニッケル系も常圧下で臨界温度45K（-229℃）に達しました。

抵抗率対温度曲線を見ると、La2.85Pr0.15Ni2O7 膜の抵抗率は 20K (-253℃) 以下で徐々にゼロに近づいており、これは BKT (Berezinskii–Kosterlitz–Thouless) 相転移の挙動に近い一方、超伝導転移開始温度は 45K であることがわかります。

磁性の観点から、研究チームは相互インダクタンス法を用いてLa2.85Pr0.15Ni2O7薄膜のマイスナー反磁性信号を直接観測し、系が真の超伝導状態に入ったことを明らかにした。マイスナー温度は8Kで、TBKT値と一致した。

さらに、著者らは、二層ニッケル酸化物と無限層ニッケル酸化物および銅酸化物の超伝導体間の構造と電子状態の違いを比較しました。

これを踏まえて著者らは、この物質の独特な結晶場分裂と軌道混成が高温超伝導の鍵となる可能性があり、その後の研究の参考になるだろうと指摘している。

ナノスケールで原子ブロックを構築する

最終結果が大きな進歩であるだけでなく、La2.85Pr0.15Ni2O7 の製造にも多くの革新が含まれています。

銅系および鉄系材料に続き、ニッケル系超伝導材料がダークホースとして台頭し、高圧低温超伝導が既に実現されている。しかし、高圧限界の克服は依然として大きな課題となっている。

この課題を克服するために、研究チームは、3年かけて開発し、ナノスケールで「原子ブロックを構築する」と称賛されている強酸化原子単位エピタキシー（GOALL-エピタキシー）技術を使用しました。

具体的には、本研究では、 La0.95Pr0.05OxとNiOxのセラミックターゲットを強酸化雰囲気中でレーザーアブレーションすることにより、SrLaAlO4単結晶基板上にLa2.85Pr0.15Ni2O7超伝導薄膜を成長させることを技術の中核としています。

まず、研究チームは前処理した（001）配向のSrLaAlO4単結晶基板を真空チャンバー内に設置し、成長温度まで加熱した。

次に、高純度の酸素とオゾンを導入し、3～5 Paのオゾンと7 Paの酸素を背景とした強力な酸化環境に基板表面をさらします。

次に、La0.95Pr0.05OxターゲットとNiOxターゲットをレーザーで交互にアブレーションし、La0.95Pr0.05O – NiO2 – La0.95Pr0.05O – NiO2 – La0.95Pr0.05Oの順序でLa2.85Pr0.15Ni2O7薄膜を原子レベルで層ごとに成長させました。

成長プロセスはRHEEDによってリアルタイムでモニタリングされました。成長完了後、サンプルはオゾン雰囲気中で急速冷却され、アニール処理によって膜質が最適化されました。

この方法は、正確かつ制御可能な化学量論により、成長プロセスを原子レベルで正確に制御できることが特徴です。

この方法により、La2.85Pr0.15Ni2O7 膜は、急峻な界面と不純物のない優れた層状成長モードを示します。

チームの平均年齢は28歳です。

このプロジェクトは、南方科技大学の学長である薛其坤院士と超伝導メカニズム研究所の陳卓宇准教授が主導しています。

薛其坤は1984年に山東大学光学部を卒業し、レーザー技術を専攻しました。1999年9月、中国科学院表面物理国家重点実験室の所長に就任しました。

薛其坤氏は2005年5月から清華大学物理学部の教授を務め、11月には中国科学院院士に選出された。その後、清華大学で昇進を重ね、最終的には学部長、副学長にまで昇進した。2020年には、新設された南方科技大学の学長に就任した。

2024年、61歳の薛其坤さんは2023年度国家トップ科学技術賞を受賞し、これまでで最年少の受賞者となった。

△出典：南方科技大学公式ウェブサイト、以下同様

チームの平均年齢はわずか28歳と非常に若い。薛其坤氏とともにチームを率いる陳卓宇准教授は、今年35歳になる。

陳卓宇は2012年に清華大学物理学科を卒業し、その後スタンフォード大学で博士号取得を目指し、卒業後は同大学にポスドク研究員として留まりました。

2022年、陳卓宇は南方科技大学の物理学部の准教授として着任しました。

Chen Zhuoyu氏を含め、論文の著者のほとんどはSUSTechの超伝導機構研究所に所属している。

共同筆頭著者 4 名はいずれも若く、ポスドク、博士課程の学生、修士課程の学生も含まれています。

• 博士研究員の周光迪は、2022年に中国科学院半導体研究所で博士号を取得し、2023年2月に研究室に加わりました。
• 博士課程学生のLü Weiさんが2023年9月に入社しました。
• ポスドク研究員の王恒氏は、清華大学で物理学の博士号を取得し、武漢大学で学士号を取得しました。2023年7月にチームに加わりました。
• 修士課程の学生であるNie Zihao さんは、深セン大学で物理学の学士号を取得し、2023年6月に当社に入社しました。

他の著者のうち、博士課程学生のChen Yaqi氏、ポスドク研究員のLi Yueying氏、准研究員のHuang Haoliang氏も同じ研究室に所属しています。

さらに、SUSTech物理学科の陳衛強教授と孫宇潔准教授もこの研究に参加しており、論文の著者の一部は広東省・香港・マカオ大湾区量子科学センターに非常勤で勤務している。

（注：薛其坤氏と陳卓宇氏を除き、他の著者は論文に記載されている氏名の順に記載されています。）

論文アドレス: https://www.nature.com/articl... 参考リンク: [1]https://www.nature.com/articl... [2]https://hightc.phy.sustech.ed... [3]https://newshub.sustech.edu.c...