Investigation of novel crystal structure and superconductivity of hydrogen-rich molecule under ultra-high pressure

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K03514
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 坂田 雅文 大阪大学, 基礎工学研究科, 特任講師(常勤) (30378559)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 高圧力 / 超伝導 / 水素リッチ分子

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、非金属軽元素を主体とした水素リッチな分子に対して、ダイヤモンドアンビルセル（DAC）を用いた100 GPaを超える高圧力の印加によって、常圧下では見られない新奇構造を形成し高温超伝導に代表される新たな物性の発現を目指している。前年度は、硫黄を含む水素リッチ分子である1,3－ジチアンを対象に100 GPaを超える高圧力下での構造と物性を検討し、超伝導は観測されなかった。したがって硫化水素との比較から、高圧力下で水素が関与した超伝導を発現する構造（水素を含むネットワーク構造）を形成するには、常圧下での結晶構造において水素、硫黄の関与する水素結合の存在が必要なのではないかと考え、本年度は、常圧下で窒素－水素－硫黄間の水素結合を持つチオ尿素（CH4N2S）について検討した。
SPring-8に課題申請を行い、採択されたビームタイム内で、180 GPaまでの超高圧力下粉末X線回折－電気抵抗の同時測定を行った。粉末X線回折の結果から、約10 GPaまではチオ尿素の分子構造が維持されていることが分かった。一方、50 GPa以上の高圧力下ではチオ尿素からの回折線が消失し、分子解離が起こったことが示唆された。室温の電気抵抗値は常圧では完全な絶縁体であったが、加圧とともに抵抗値の減少が見られ、100 GPaでは数kΩとなり、180 GPaの高圧力下では100 Ω以下まで低下した。さらに、180 GPaでの電気抵抗の温度依存性は金属的であり、さらに30から40 K付近で電気抵抗の落ちが観測された。この電気抵抗の落ちが超伝導転移によるものであるとすると、単体硫黄（約20 K）よりも高い超伝導転移温度を持つ新規超伝導相が高圧力下で生じた可能性がある。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

令和元年度は、常圧下で水素－硫黄の水素結合を含むネットワークを形成している分子性物質に着目し、チオ尿素を候補分子として実験を行った。その結果、180 GPaの超高圧力下で超伝導を示唆する現象を観測することに成功した。このことは、常圧下で硫黄を含む水素結合を持つ物質に着目するという本指針が、分子性水素化物から高圧力下で水素の関与する超伝導体を創製するのに対して妥当であることを示している。したがって、最終年度は同様に水素結合を持つ分子性水素化物に集中することで、本研究の最終目的である「超高圧力を用いた水素を含む新たな結晶構造の構築」とそれによる新奇物性「超伝導」が実現できると考えている。

Strategy for Future Research Activity

最終年度である令和２年度は、これまでの研究で得られた指針に基づき、２つのテーマで研究を進める。まず、水素結合を持つ候補分子としてハロゲン化水素（塩化水素、臭化水素）を選択し、高圧力下での硫黄を含まない新たな水素化物超伝導体の発見を目指す。塩素水素化物については、高圧力下で高温超伝導体である立方晶H3Sと同構造（H3Cl）が達成できれば高い超伝導転移温度（150~200 K，150 GPa）を持つ超伝導体となることが理論計算により予測されている。また、臭素水素化物については、高圧力下で立方晶H3Sとは異なる結晶構造をとりつつも、超伝導転移温度70 K（150 GPa）の超伝導体となることが予測されている。これらの理論予測を検討することは本研究の目的と合致している。それぞれについて、粉末X線回折測定および電気抵抗測定によって、高圧力下での結晶構造と超伝導について明らかにする。次に、前年度、超伝導を示唆する現象が発見されたチオ尿素について、高圧力下での分子構造および結晶構造を明らかにするために、ラマン分光測定などの分光学的測定を行う。これによって、高圧力下でのチオ尿素の分子構造や水素結合についての情報を得る。先行研究として11 GPaまでの実験報告があるが、より高い圧力領域まで測定範囲を広げる。

Causes of Carryover

消耗品（ダイヤモンドアンビル）の使用が予定よりも少なかったために次年度使用額が生じた。これについては、次年度に同じく消耗品（ダイヤモンドアンビル）の購入費用として使用することとしている。