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高温超伝導を実現する水素化合物の新しい構造を解明

高温超伝導を実現する水素化合物の新しい構造を解明

ポイント

  • 高温超伝導を実現する水素化合物の新しい結晶構造が理論シミュレーションにより解明された。

【背景と経緯】
 超伝導(電気抵抗ゼロ)現象は、エネルギー損失のない送電や、電気供給なしでの電磁力保持など、社会や産業にインパクトをもたらす技術原理である。しかしながら、物質をマイナス200度以下といった転移温度以下に冷やさないと超伝導は発現しない。このため、転移温度を高め、低い冷却コストで実現する超伝導体の模索が100年近くにわたって続けられている。
 より低コストな冷却で超伝導になりそうな物質(高温超伝導体)として、水素を含んだ結晶体が候補とされてきた。最近では、コンピュータシミュレーションを使って、どのような元素を水素と組み合わせたときに、低コスト冷却の超伝導体が実現できるかを予測する研究が盛んに行われてきた。

【研究の内容】
 北陸先端科学技術大学院大学 環境・エネルギー領域の前園 涼教授本郷 研太准教授中野 晃佑助教らのグループは、同大学が保有するスーパーコンピュータシステムによるシミュレーションを用いて、より低コストな冷却で超伝導になる水素化合物を発見した。元素の組み合わせを2種から3種と増やしていくと、低コスト冷却に向けた未知の可能性は広がるが、組み合わせが膨大となり、コンピュータ予測の難しい問題となる。グループでは遺伝的アルゴリズムと呼ばれるデータサイエンスの手法を用いて、実現性スコアの高い構造が選択されやすいような探索技術の活用に取り組んでいる。2種構成化合物の範囲内では、LaやYが低コスト冷却を実現する材料に利用されている。そこで、これらを組み合わせた3種構成化合物を探索したところ、カゴ状の化合物をブロック状に組み上げた構造という、これまでに知られていなかった新しい構造で、低コスト冷却の超伝導体が実現する可能性を示した(図)。
 本研究成果は、2021年12月7日(米国東部標準時間)に科学雑誌「Chemistry of Materials」のオンライン版に掲載された。

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図 コンピュータシミュレーションを用いて新しく発見された超伝導体の構造。かご状構造が積層される構造が、転移温度の高い超伝導体を実現することが計算によって示された。

【今後の展開】
 コンピュータシミュレーションを用いることにより、いろいろな元素を組み合わせて、未知の結晶構造が安定に存在できるかどうかを予測することができる。今回の例では「超伝導が発生する温度をなるべく高くなるような(さほど冷やさなくても超電導が発生するような)」元素の組み合わせを探索するシミュレーションを行ったが、その他にも所望の特性向上を実現するような新しい元素の組み合わせを予測することができる。これにより、材料開発研究を加速させることができる。

【論文情報】

掲載誌 Chemistry of Materials
論文題目 High-Tc Superconducting Hydrides Formed by LaH24 and YH24 Cage Structures as Basic Blocks
(LaH24とYH24を基本構造としたカゴ状構造に発現する高温超伝導)
著者 Peng Song, Zhufeng Hou, Pedro Baptista de Castro, Kousuke Nakano, Kenta Hongo, Yoshihiko Takano, Ryo Maezono
掲載日 2021年12月7日(米国東部標準時間)にオンライン版に掲載
DOI 10.1021/acs.chemmater.1c02371

【用語説明】
遺伝的アルゴリズム:
 コンピュータのプログラミングにおいて、染色体の交叉・突然変異・自然淘汰といった生物の遺伝子の振る舞いと役割を模すことにより解を求める手法。

【リンク】

令和3年12月13日

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