2016 Fiscal Year Annual Research Report
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15H03696
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
有田 亮太郎 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, チームリーダー (80332592)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
是常 隆 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 上級研究員 (90391953)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 超伝導 / 第一原理計算 / 高圧下水素化合物 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、超伝導転移温度の非経験的定量計算の方法論開発とその応用を行うことを目標としている。本研究の開始とほぼ同時期に150GPa程度の高圧下において硫化水素が200Kを越える温度で超伝導転移を起こすことが報告された。前年度までの研究により、硫化水素の超伝導転移温度の実験値を精密に再現する方法論の開発を行ったので、今年度は硫化水素を越える物質の探索を行った。候補物質として、100GPa程度の高圧下で実現されると予想される、水素がソーダライト状のカゴ構造を作り、その空隙にCaやYが入るCaH6やYH6を調べた。これらの物質の電子状態は系の高い対称性を反映し、非常に簡単なモデルで記述されることがわかった。すなわち、水素のs軌道、CaあるいはYのd軌道の合計11軌道を考慮すれば超伝導に関わる電子状態はほぼ正確に再現できる。d軌道のレベルの高さによって、水素のs軌道が作る状態密度のvan Hove特異点に由来するピークの位置が変化する。YH6の場合はこの状態密度のピークがフェルミレベル直上に来るため、CaH6に比べて超伝導に有利な状況が実現していることがわかった。この知見に基づき、水素のカゴ構造の中にいれる原子の種類を変えることで状態密度の位置の制御を試みた。YからCdまでの4d遷移金属、LaおよびLuの計算を系統的に行った。その結果、RhやPdは水素の状態密度が極めて高くなり、超伝導不安定性を高める状況が実現するが、エンタルピーは高くなってしまうことがわかった。一方、Laはf軌道の自由度も絡みあうことでエンタルピーが低いまま、状態密度も高くなる有望な物質であることがわかった。
また、硫化水素については低温相と高温相の間をつなぐ構造の予測も行い、実験だけでは解釈が難しい温度-圧力相図における特異な振る舞いに対する理解にひとつの有望なシナリオを提案した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
銅酸化物高温超伝導体の転移温度の記録が塗り替えられるという歴史的な非常事態において、前年度は高圧下の硫化水素の特殊事情を正確に考慮した第一原理計算法を確立し、世界にさきがけて精密な計算を行った。今年度はそこでの成果に基づいて未知物質の探索とその精密な超伝導転移温度予測を試みている。
ソーダライト状のカゴ型物質CaH6およびYH6は初期の研究では硫化水素を越える転移温度が予測されるなど混乱が続いていたが、本研究により低エネルギーフォノンの寄与が過大評価されているなどの問題が明らかになった。一方、電子状態が非常に簡単な模型で記述されることがわかったため、空隙にどのような元素をつめればフェルミレベルにおける水素の状態密度を高めることができるかについて系統的な物質探索が可能になった。今年度までの研究で硫化水素よりも低い圧力で他の構造よりもエンタルピーが低くなる傾向があり、かつ転移温度が高くなる可能性が高い物質が見つかっている。高圧下の水素化合物の超伝導においては、これまでの高温超伝導体の研究と異なり、理論計算の役割が非常に高く、新超伝導体の予言につなげられる可能性があると考えている。
硫化水素については、低温相と高温相の間をつなぐ構造の予測も行い、実験だけでは解釈が難しい温度-圧力相図における特異な振る舞いに対する理解にひとつの有望なシナリオを提案した。
研究課題の開始と同時期に硫化水素の高温超伝導が報告されたため、計算対象が軽元素物質に偏っているが、スピン軌道相互作用が重要となる系の方法論開発も進めている。遮蔽C相互作用の取り扱いに課題が残るがフォノンが関わる部分については定式化がおわり、具体的な応用が始まっている。
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| Strategy for Future Research Activity |
軽元素系については、今年度高温超伝導体として有望であることがわかった物質に対しては精密な計算を行い、具体的にどれくらいの圧力で安定になるか、どの圧力で何度の超伝導転移温度を示すかについて詳細な検討を行う。場合によっては実験家との緊密な共同研究を開始する。
スピン軌道相互作用が重要になる系については、超伝導密度汎関数理論のコードを拡張し、スピン一重項、三重項が入り混じったギャップ関数の構造を正確に記述できるコードを開発中である。
計算の都合上、最初のターゲットとなる物質は、反転対称性がなく、局在性の高いf電子を含まず、超伝導転移温度がなるべく高い物質が望ましい。そこで結晶構造のデータベースからユニットセルに原子が4つ程度まででかつ反転対称性がない金属という条件に合致するデータをダウンロードし、ランタノイド、アクチノイドを含む系を除外した上でフォノンの周波数と電子格子相互作用の大きさを計算して候補となる物質を絞り込む、という作業を行っている。この結果、有望な物質が数個見つかっているので、これらの物質に対する計算を進める。
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