客观日本

研究发现使分子超导体的转变温度达到最高的方法 ~开辟通向高温超导体开发的新道路~

2015年06月16日 化学材料

要点

  • 发现新的物质形态——姜-泰勒金属。局部存在性与金属性共存于富勒烯分子上。
  • 从姜-泰勒金属产生的打破常规的超传导性。
  • 电子的局部存在性与金属性的平衡产生出高超传导转变温度。

由东北大学原子分子材料科学高等研究机构的Cosmas Placidez教授(原日本-EU超导体研究项目EU方代表)和东京大学研究生院工学系研究科的岩佐义宏教授(同研究项目日方代表)组成的研究小组,通过阐明在分子构成的物质中拥有最高转变温度的一群富勒烯(C60)超导体的电子状态,弄清了超导体转变温度(Tc)达到最高温度的条件,获得了与开发高性能新超导体密切相关的指导方针。

该研究成果预定于美国东部时间4月17日在美国科学杂志Science Advances上发表。

<研究背景·内容>

金属作为导电媒介被广泛利用,但是在导电过程中由于产生电阻造成能量损耗。超导体因为没有电阻,能够无能量损耗地导电,因此在尽可能高的温度下成为超导体物质的开发成了当务之急。人们知道多数超导体物质群以原子作为组成单位,也有部分以分子作为组成单位的超导体。该研究小组于2008年发现,由60个碳原子构成的富勒烯分子作为组成单位所构成的物质在分子性物质中显示了最高转变温度38K(发表在Nature Materials杂志)。之后又发现,这种超导体与带有磁性的绝缘体状态邻接(2009年发表在Science杂志),其超传导转变温度不是由结晶形态控制,而是由压力控制(2010年发表在Nature杂志)。此外,研究小组还发现,在邻接绝缘体状态下,富勒烯分子发生了一种叫做姜-泰勒效应的畸变(2012年发表在Nature Communications杂志)。

由于上述38K的超传导转变温度以及由磁性绝缘体向超传导的转变等显著的物性都是在高压条件下被观测到的,所以详细的电子状态没有被解释清楚的问题一直未能得到解决。而本次国际共同研究首次成功地实现了叫做Cs3-xRbxC60结构的化合物的合成,在常压状态下成功地实现了磁性绝缘体向超导体的转换。其结果,使详细的物性研究首次成为可能,研究小组得到了下述新发现。即,具有高达38K转变温度的超导体,因其分子特性与固体特性保持着均衡,形成了与通常的金属状态不同的、叫做姜-泰勒金属的特殊状态。通过优化这一均衡状态,可实现最高的转变温度。这一发现对于新的分子性超导体的开发具有重大的意义。

东北大学/英国杜伦大学Placidez研究室、东京大学岩佐研究室、斯洛文尼亚·卢布尔雅那大学Achon研究室、匈牙利科学院·Kamarashu研究室和利物浦大学·Rozeinsukye研究室参与了以上共同研究,在SPring-8及FranceESRF两个放射线设施进行的实验对这项研究发挥了巨大作用。该项研究成果预定于美国东部时间4月17日刊登在美国科学杂志Science Advances上。

<备注事项>

该研究项目在JST国际科学技术共同研究推进事业(战略性国际共同项目)SICORP日本-EU(欧洲委员会研究创新总局(EC DG RTD))共同研究“超导体”、the UK Engineering and Physical Science Research Council、JST战略性创造研究推进事业ERATO“矶部缩退π集积项目”、the Hungarian National Research Fund的支持下得以实施。

<参考图> 

研究发现使分子超导体的转变温度达到最高的方法

图1 富勒烯C60超导体的3D结晶构造

富勒烯分子由60个碳原子组成,是正二十面体(足球)型分子,具有3D规则性排列的结晶构造。 

研究发现使分子超导体的转变温度达到最高的方法

图2 由C60分子间距离变化引起的富勒烯电子状态的变化

  • 右:分子被固定在几何构型形变状态,电子不能在分子间移动,处于绝缘状态(Mott-Jahn-Teller绝缘体)。因分子的形变导致三个轨道的简并解开,电子从低能级开始累积。
  • 中: 电子在分子间移动,分子随着电子的移动在时间上发生了形变的状态(姜-泰勒金属)。中间轨道上的电子可以移动。在这种状态下,超传导转变温度变为最高。
  • 左: 分子不发生形变,电子处于能在分子间自由传送的状态(通常的金属)。3个轨道处于相同的能级,因此3个电子均等排列。在右侧状态下分子间的距离最大,随着分子间距离缩小,电子状态逐渐从中间向左边发生变化。 
研究发现使分子超导体的转变温度达到最高的方法

图3 富勒烯固体的电子状态图

平均一个富勒烯分子所占体积(横轴、富勒烯分子间距离)与温度(纵轴)所构成的平面上的富勒烯固体(左上插图)的电子状态。右端分子间距离最大时的电子状态是分子发生了形变的绝缘体状态。分子间距离变小时的电子状态是分子发生了形变的姜-泰勒金属状态,这时候出现超传导,超传导转变温度取最大值。分子间距离进一步缩小时,电子状态变为分子不发生形变的普通金属状态,超传导转变温度也逐渐降下去。

新闻发布
http://www.jst.go.jp/pr/announce/20150418/

转载·翻译自JST新闻发布