超伝導を特徴づける2つの長さを計算可能に ~実験に頼らない超伝導体の性能予測に道~

2026-11-06 横浜国立大学

横浜国立大学、東京都立大学、ドイツ・ヴュルツブルク大学、東京大学などの研究グループは、超伝導体の性能を特徴づける「コヒーレンス長」と「磁場侵入長」を、実験データや経験的パラメータを使わずに計算する第一原理計算手法を開発した。研究では、超伝導密度汎関数理論に有限の運動量を持つクーパー対を導入し、超伝導ギャップと超伝導電流の変化から、これら2つの基本的な長さを導出することに成功した。アルミニウム、ニオブなどの単体金属や化合物、高圧下で超伝導を示す硫化水素に適用した結果、コヒーレンス長や磁場侵入長などについて実験値を良好に再現した。特に、約100万気圧という超高圧下でしか超伝導にならない硫化水素についても、実験測定が困難な物性値を計算で予測できた。本手法により、超伝導転移温度だけでなく、磁場への耐性や電流性能まで理論的に評価できるようになる。今後、超伝導線材や超伝導磁石の設計、MRI、核融合炉、量子コンピュータへの応用、新しい高温超伝導材料の探索を加速することが期待される。

超伝導を特徴づける2つの長さを計算可能に ~実験に頼らない超伝導体の性能予測に道~
図1: 本研究で開発した手法の概念図。

<関連情報>

超伝導体の密度汎関数理論に基づくコヒーレンス長と侵入深さの第一原理計算 First-Principles Calculation of Coherence Length and Penetration Depth Based on Density Functional Theory for Superconductors

Mitsuaki Kawamura, Takuya Nomoto, Niklas Witt, and Ryotaro Arita
Physical Review Letters  Published: 3 November, 2026
DOI:https://doi.org/10.1103/lrhl-j9bt

Abstract

We develop a first-principles framework for evaluating the fundamental length scales of superconductivity, namely the coherence length 0 and the magnetic penetration depth L, within superconducting density functional theory. By incorporating finite-momentum Cooper pairs, we formulate a microscopic scheme that enables a consistent and parameter-free determination of 0, L, and the superconducting transition temperature c on the same theoretical footing. Applying the method to representative elemental superconductors, the A15 compound V3⁢Si, and H3⁡S under high pressure, we obtain results in good agreement with available experimental data and reproduce the type-I or type-II classification across all materials studied. The unified access to 0 and L further allows us to construct the Uemura plot entirely from first principles, showing that higher-c systems are characterized by the simultaneous realization of strong pairing and large phase stiffness. Our results establish a predictive first-principles route to superconducting length scales and provide a microscopic interpretation of empirical correlations in superconductivity.

1701物理及び化学
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