2024-05-14 東北大学
大学院工学研究科 助教 神永健一
【発表のポイント】
- 酸化ニオブ（NbO）は結晶構造として擬岩塩型（注1）を安定に取ることが知られている物質ですが、これまで報告のなかった岩塩型のNbOを合成することに初めて成功しました。
- 岩塩型NbOは超伝導を示し、転移温度（注2）が擬岩塩型よりも6 K以上高いことを確認しました。
- 擬岩塩型より単純な構造の岩塩型NbOを用いて、量子コンピューターの開発へ向けたジョセフソン接合（注3）などの超伝導デバイスや核融合のプラズマを閉じ込める高磁場磁石への展開が期待されます。
【概要】
電気抵抗がゼロの超伝導現象を使う技術の多くは、ニオブ・チタン合金（NbTi）やニオブ・スズ化合物（Nb3Sn）など、ニオブ（Nb）を含む超伝導材料を用いて実用化しています。代表的な例として病気の診断に用いる磁気共鳴画像（MRI）装置や、実用化が迫る核融合用の高磁場磁石、研究段階の量子コンピューター用素子を挙げることができます。しかしNb系超伝導材料が超伝導状態になる転移温度は極めて低く、冷却のために電力を多く消費することが問題になっています。超伝導の産業領域を広げるために、Nb系超伝導材料の転移温度を高めることが一つのカギを握ります。
この度、東北大学大学院工学研究科の神永健一助教らの研究グループは東京大学と共同で、既知の超伝導物質である酸化ニオブ（NbO）に関して、その安定構造である擬岩塩型の原子配置をわずかに変化させた岩塩型NbOの合成に世界で初めて成功しました（図1）。準安定な岩塩型NbOも超伝導の性質を示し、転移温度は最高で7.4 Kと従来の擬岩塩型NbOの1.38 Kより6 Kも高い値です。同じく岩塩構造を持つ超伝導物質で、転移温度が17.3 Kと比較的高く、すでに量子コンピューターなどに広く使われている窒化ニオブ（NbN）がありますが、今回合成に成功した岩塩型NbOは構造的にNbNに類似性があります。そのためNbOの転移温度もNbNと同等の10 K以上に高められる可能性があります。今後、薄膜や線材への加工技術を確立できれば、超伝導デバイスや高磁場磁石への材料展開が期待されます。
本研究成果は、2024年5月9日に科学誌Chemistry of Materials に掲載されるとともに、Supplementary journal coverに採用されました。
図1. NbOの結晶構造の比較。擬岩塩型（左）は岩塩型（右）から25%ずつのNb原子とO原子が欠けた（岩塩型の頂点位置のNbと体心位置のOが抜けている）結晶構造。岩塩型はこれまで合成例はなく本研究が初の合成であり、擬岩塩型と比べると超伝導転移温度（Tc）は最高で6 K以上も向上。
【用語解説】
注1. 擬岩塩型
岩塩型から25%ずつのニオブ（Nb）原子と酸素（O）原子が欠損した（岩塩型の頂点位置のNbと体心位置のOが抜けている）結晶構造のこと（図1参照）。5族元素の単酸化物のなかで唯一Nbだけが安定相である。
注2. 転移温度
超伝導現象は、物質の電気抵抗がゼロになる、物資内部から磁力線が排除される（マイスナー効果）という二つの現象が同時に起こる現象を指す。常電導状態から冷却し、超伝導状態に相転移する温度のことを転移温度という。
注3. ジョセフソン接合
二つの超伝導体の間に極薄の絶縁体を挟んだ素子のこと。磁気センサーや量子コンピューターの演算部分において主要な役割を担っており、特に超伝導体に窒化ニオブ（NbN)を用いた研究が多数報告されている。
問い合わせ先
（研究に関すること）
東北大学大学院工学研究科応用化学専攻
助教 神永 健一（かみなが けんいち）
（報道に関すること）
東北大学大学院工学研究科情報広報室
担当 沼澤 みどり
