世界最高の超伝導臨界電流密度を有する薄膜線材を創製～液体ヘリウム沸点温度（ー２６９度）で１５０MA/cm2を達成～

2022-10-24

2022-10-24 成蹊大学,科学技術振興機構,東京大学,山梨大学,ファインセラミックスセンター,東北大学

ポイント

新しい材料設計指針により銅酸化物高温超伝導ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ薄膜線材を創製し、液体ヘリウム沸点温度（−２６９度）下で世界最高の超伝導臨界電流密度（電気抵抗ゼロで流せる電流密度）１５０メガアンペア・パー・スクエアセンチメートルを達成。
本研究で創製したＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ薄膜線材は、１８テスラの高磁場下においても、すべての超伝導材料の中でも最も高い超伝導臨界電流密度を達成。
磁場下で高い超伝導臨界電流が必要な核融合発電、高度医療診断装置、高度分析機器やリニアモーターカーなどのさらなる高性能化・低コスト化・コンパクト化が期待される。

成蹊大学大学院理工学研究科の三浦正志教授（ＪＳＴ創発的研究支援事業・創発研究者、米国ロスアラモス国立研究所長期客員研究員）は、東京大学大学院総合文化研究科前田京剛教授のグループ、大学院工学系研究科加藤康之助教、山梨大学關谷（せきたに）尚人准教授、ファインセラミックスセンター加藤丈晴博士のグループ、東北大学淡路智教授のグループ、ロスアラモス国立研究所Ｂ．Ｍａｉｏｒｏｖ博士とＬ．Ｃｉｖａｌｅ博士と共に、新材料設計指針である磁束ピン止め点制御とキャリア密度制御の融合によりＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ超伝導薄膜線材を創製し、すべての超伝導材料の中で最も高い世界最高の超伝導臨界電流密度を達成しました。

超伝導材料は、液体窒素（－１９６度）や液体ヘリウム（−２６９度）などで冷やすだけで電気抵抗ゼロとなる唯一無二の材料です。そのため、他の材料では実現不可能な強力な電磁石を作ることができるため、核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置、磁気共鳴断層撮影（ＭＲＩ）装置、核融合発電や超伝導電力貯蔵装置に応用され社会に貢献しています。さらなる高性能化・低コスト化・コンパクト化には、磁場下での高い超伝導電流が必要です。これまで研究により超伝導臨界電流密度向上には、超伝導体内に侵入する量子化磁束の運動を抑制する磁束ピン止め点（非超伝導）の導入が有効であることが知られていました。また、キャリア密度が高いほど多くの超伝導体の超伝導臨界電流密度が高くなる傾向がありました。飛躍的な超伝導臨界電流密度向上には、磁束ピン止め点制御とキャリア密度制御の融合による新しい材料設計指針が必要でした。しかし、従来の超伝導作製方法では、磁束ピン止め点導入による超伝導相の結晶性低下やひずみによるキャリア密度低下が問題となり、超伝導臨界電流密度は頭打ちとなっていました。

本研究では、独自薄膜作製法を用いてＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ超伝導相にひずみを与えずかつ結晶性低下を最小限に抑えることによりに高密度なＢａＨｆＯ_３ナノ粒子を磁束ピン止め点として導入することに成功しました。また、酸素雰囲気下熱処理を制御することでＢａＨｆＯ_３導入Ｙ１２３薄膜線材のキャリア密度向上に成功しました。この結果、本研究で創製したＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ薄膜線材は、液体ヘリウム温度下で世界最高の超伝導臨界電流密度１５０メガアンペア・パー・スクエアセンチメートルを達成しました。また、１８テスラの高磁場下においても、すべての超伝導材料の中で最も高い超伝導臨界電流密度を得ることに成功しました。

今回の研究成果により、液体ヘリウム（−２６９度）を冷媒とした大型ハドロン衝突型加速器、核融合発電、核磁気共鳴装置、磁気共鳴断層撮影装置やリニアモーターカーなどの高性能化・低コスト化・コンパクト化に貢献することが期待されます。また、これまで応用が難しいとされてきた液体窒素（−１９６度）を冷媒とする超伝導送電、超伝導電力貯蔵装置、航空機用超伝導モーター、発電機などへの応用が期待されます。

本研究成果は、英国科学誌Ｎａｔｕｒｅ系の専門誌「ＮＰＧＡｓｉａＭａｔｅｒｉａｌｓ」（オンライン：２０２２年１０月２１日）に掲載されました。

本研究は、科学技術振興機構（ＪＳＴ）創発的研究支援事業研究課題ＪＰＭＪＦＲ２０２Ｇ「新材料設計指針により対破壊電流密度に挑む（研究代表者：三浦正志成蹊大学大学院理学研究科教授）」（創発ＰＯ：井村順一東京工業大学理事・副学長／工学院教授）、日本学術振興会（ＪＳＰＳ）科研費基盤研究（Ｂ）２０Ｈ０２１８４「ナノサンドイッチ構造・高キャリア注入による超高性能超電導薄膜線材の創製」の支援を受けて行われました。

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