鉄系超伝導体(Ba,K)Fe₂As₂における粒界特性の特異性を発見 ～多結晶でも高性能な高温超伝導体の創製に道～

2024-08-27 名古屋大学

名古屋大学の畑野 敬史 准教授、東京農工大学の秦 東益 博士後期課程学生、内藤 方夫 シニアプロフェッサー、山本 明保 准教授、日本大学の飯田 和昌 教授、九州大学の郭 子萌 博士研究員(当時)、高 紅叶 博士研究員、斉藤 光 准教授、嶋田 雄介 准教授、波多 聰 教授との共同研究で、鉄系高温超伝導体のうち、最も実用化が期待されている物質である(Ba,K)Fe₂As₂で、粒界においても高い超伝導性能を有することを明らかにしました。
高い超伝導転移温度^注6）を示す銅酸化物高温超伝導体^注7）および鉄系高温超伝導体は、粒界において隣接する結晶同士のずれ角度が大きくなると、程度の差はあるものの粒界をまたいで流れる超伝導電流が強く抑制されてしまう「粒界弱結合」という問題があるため、多結晶形態での産業応用は難しいとされています。今回、(Ba,K)Fe₂As₂の単一人工粒界を世界に先駆けて作製し、粒界弱結合の影響を調べたところ、結晶のずれ角度が24°まで到達しても、超伝導電流の減衰が他の高温超伝導体^注8）と比べて緩やかであることが分かりました。本成果は、多結晶でも高い性能を発揮できる高温超伝導体材料の創製へと展開しうるものであり、医療用MRIや交通インフラなどで重要な役割を果たす高性能超伝導磁石の高性能化・低コスト化につながる成果です。
本研究成果は、2024年8月23日付ネイチャー・パブリッシング・グループの学術誌「NPG Asia Materials」に掲載されました。

【ポイント】

・鉄系高温超伝導体^注1） (Ba,K)Fe₂As₂^注2）の人工の粒界^注3）を世界に先駆けて作製した。
・他の鉄系高温超伝導体に比べて、(Ba,K)Fe₂As₂の粒界をまたいで流れる超伝導電流^注4）（粒界電流）が一桁大きいことが分かった。
・外部磁場を印加しても、粒界電流が指数関数的に減衰を始める粒界角が、他の鉄系超伝導体と異なり、大きく変化しないことが分かった。
・このような良好な特性を示す理由として、粒界部位において小さな粒界角が積み重なった独特な粒界面を形成していることが考えられる。
・(Ba,K)Fe₂As₂が、低コストで作製可能な多結晶^注5）形態での応用に適した高性能超伝導材料であることを証明した。

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【用語説明】

注1）鉄系高温超伝導体：
2008年に細野らにより発見された鉄を含む超伝導体物質群で、超伝導転移温度は最高で55 K（摂氏マイナス218℃）に達する。

注2） (Ba,K)Fe₂As₂：
鉄系高温超伝導体のひとつで、AeFe₂As₂ (Aeはアルカリ土類金属でCa,Sr,Ba)が基になる。Ae, Fe, Asサイトに元素置換することで超伝導を示す。その中でも比較的高い超伝導転移温度と合成のしやすさを両立しているのは、BaサイトをKで部分置換した本系である。その最高転移温度は約38 K(摂氏マイナス235℃)に達する。

注3）粒界：
多結晶体の内部に存在する、結晶粒と結晶粒の境界のこと。

注4）超伝導電流：
超伝導体は電気抵抗ゼロで電流を流すことができる材料であり、ゼロ抵抗で流れる電流を超伝導電流という。

注5）多結晶：
結晶方位が、試料全体にわたってきれいに揃っているものを単結晶という。これに対し、多結晶とは小さな単結晶がランダムな方位で凝集した材料形態を指す。一般に、単結晶形態は作製が難しく、高コストである場合が多いため、産業応用を考慮すると多結晶形態でも十分な性能を発揮できる材料が望まれる。

注6）超伝導転移温度：
常伝導相から超伝導相へ相転移する超伝導が発現する温度。

注7）銅酸化物高温超伝導体：
1986年にベドノルツとミュラーにより発見された銅を含む超伝導体物質群で、超伝導転移温度は常圧下において最高で134 K（摂氏マイナス139℃）に達する。

注8）高温超伝導体：
超伝導体の多くは超伝導転移温度が低く、常圧においては極低温まで冷却しなければ超伝導にならない。しかし、銅酸化物および鉄系超伝導体では、30 Kを超えるような高い温度でも超伝導化するものがいくつも知られている。これらを総称して高温超伝導体という。

【論文情報】

雑誌名： NPG Asia Materials
論文タイトル： High tolerance of the superconducting current to large grain boundary angles in potassium-doped BaFe₂As₂
著者：Takafumi Hatano*, Dongyi Qin, Kazumasa Iida, Hongye Gao, Zimeng Guo, Hikaru Saito, Satoshi Hata, Yusuke Shimada, Michio Naito, Akiyasu Yamamoto　　（*責任著者）
DOI: 10.1038/s41427-024-00561-9
URL: https://www.nature.com/articles/s41427-024-00561-9

【研究代表者】

大学院工学研究科　畑野 敬史　准教授