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2023 年度 実績報告書

水素化物の室温超伝導化とデバイス化の研究

研究課題

研究課題/領域番号 20H05644
研究機関大阪大学

研究代表者

清水 克哉  大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 教授 (70283736)

研究分担者 河口 沙織  公益財団法人高輝度光科学研究センター, 回折・散乱推進室, 主幹研究員 (00773011)
高野 義彦  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, MANA主任研究者 (10354341)
石河 孝洋  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任助教 (40423082)
研究期間 (年度) 2020-08-31 – 2025-03-31
キーワード高温超伝導 / 超伝導デバイス / 超高圧
研究実績の概要

今年度は、本研究が目指す「室温動作超伝導デバイス」の実現にむけ、より高温での水素化物超伝導体の探索と、高圧力で動作する超伝導デバイス開発を同時に進めてきた。これは、引き続き、「超伝導転移温度はどこまで上げることができるのか」という学術的な問いと、「高圧のままで使う」という高圧力を安定に保持して高温超伝導を利用するための研究である。代表者清水の実験技術を基盤軸に、石河は理論物性予測、河口は超高圧下結晶構造解析、高野はデバイス化をそれぞれ分担して、開発研究を行った。
現在は論文が撤回されているが、研究期間中に海外のグループから室温を超える、またはほぼ室温の超伝導体の発見の報告がなされた。そのため、我々はそれらの追試実験を行い、それらの真偽を検証した。我々を含め世界中の高圧超伝導研究者に追試に成功した例はなく、残念ながら時間をふくめ多くの研究資源を消費した。
海外の理論計算では室温に迫るまたは室温以上の水素化物がいくつか提案されている。我々も第一原理計算を用いて3元系水素化物超伝導体の探索を進め、統計解析や機械学習に利用できるようデータベース化を行った。中でもルテチウム系水素化物では、カルシウムを加えた含むLu-Ca-Hの3元系水素化物は100 GPa付近で高いTcを持つと理論予測された。そこで、ルテチウムとカルシウムの混合物を水素源のアンモニアボランとともに封入し、3元系水素化物の合成を試みた。しかし、高圧力下結晶構造解析と超伝導計測により、ルテチウムの水素化物(LuH3)のみが合成され3元系水素化物の合成には至らなかったことがわかった。
超伝導体の転移温度上では電気抵抗が急激に変化することを利用した、超伝導端光センサーを試作した。ランタンを用いて約10 GPaを印加し、冷凍機中の超伝導ランタンにレーザーを照射し、電気抵抗変化によって感度良く光を検出していることがわかった。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

理論計算により提案される高温超伝導水素化物が、予測された温度または圧力を設定しているにも関わらず合成が成功しない例が極めて多い。これは我々だけでなく、多くの実験グループがこの問題に直面している。これは未だ理論計算の精度が十分でないことに加え、合成の温度圧力経路上に存在するより安定な構造で合成が終着してしまうことによると考えられる。
また、概要にも示した通り、室温超伝導の誤った報告に対応するため、それらの検証実験に多くの時間を費やした。ただ、我々の追試結果は他の研究者との結果とあわせて、重要な実験的証拠として我々の実験の信頼性が評価された。
ダイヤモンドアンビルが破砕する問題は、合成圧力を低下させることで、やや減少したが解決には至っていない。

今後の研究の推進方策

引き続き、室温または室温に迫る水素化物超伝導体の探索を推進するが、これまでに理論予測された高温超伝導水素化物がその予測通りに合成されるものは多くない。合成経路の検討に加え、合成前の物質選択にも取り組む計画である。つまり、3元系水素化物(A-B-H)の場合、A、Bの2つの元素の合金を出発物質とするほか、Aの水素化物とB、AとBの水素化物なども採用する。
高圧超伝導のデバイス化においては、超伝導転移端センサーの電極をより微細に作成して感度を向上させる。また、SQUIDまたはジョセフソン結合にも取り組む。
最終年度として、デバイスに用いる高温超伝導水素化物を決定し、デバイス形状への加工と動作検証を行う。

備考

本研究の成果や活動状況を発信

  • 研究成果

    (57件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 国際共同研究 (4件) 雑誌論文 (17件) (うち国際共著 2件、 査読あり 17件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (34件) (うち国際学会 9件、 招待講演 8件) 図書 (1件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] Jilin University/High Pressure Sci & Tech. Adv. Research(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      Jilin University/High Pressure Sci & Tech. Adv. Research
  • [国際共同研究] University of Cambridge(英国)

    • 国名
      英国
    • 外国機関名
      University of Cambridge
  • [国際共同研究] Shubnikov Institute of Crystallography/Skolkovo Institute of Sci. and Tec.(ロシア連邦)

    • 国名
      ロシア連邦
    • 外国機関名
      Shubnikov Institute of Crystallography/Skolkovo Institute of Sci. and Tec.
  • [国際共同研究] ElettraSincrotrone(イタリア)

    • 国名
      イタリア
    • 外国機関名
      ElettraSincrotrone
  • [雑誌論文] Pressure-induced dimerization and crossover from negative to positive magnetoresistance in Ag3LiIr2O62024

    • 著者名/発表者名
      Cheng Jin,Jun Han,Qunfei Zheng,En Chen,Tianyao Pei,Yuki Nakamoto,Katsuya Shimizu,Yonggang Wang,Jinlong Zhu
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 109 ページ: 94411

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.109.094411

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Anisotropic electrical conductivity changes in FeTiO3 structure transition under high pressure2024

    • 著者名/発表者名
      Takamitsu Yamanaka,Yuki Nakamoto,Masafumi Sakata,Katsuya Shimizu,Takanori Hattori
    • 雑誌名

      Physics and Chemistry of Minerals

      巻: 51(4) ページ: -

    • DOI

      10.1007/s00269-023-01261-6

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Evolutionary search for superconducting phases in the lanthanum-nitrogen-hydrogen system with universal neural network potential2024

    • 著者名/発表者名
      T. Ishikawa, Y. Tanaka, and S. Tsuneyuki
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 109 ページ: 94106

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.109.094106

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Submillisecond in situ X-ray diffraction measurement system with changing temperature and pressure using diamond anvil cells at BL10XU/SPring-82024

    • 著者名/発表者名
      S.Kawaguchi-Imada,R.Sinmyo, K.Ohta, S.Kawaguchi ,T. Kobayashi
    • 雑誌名

      Journal of Synchrotron Radiation

      巻: 31(2) ページ: 343-354

    • DOI

      10.1107/S1600577523010974

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Pressure-induced structural phase transition in the ferromagnetic Heusler alloy Ni2MnGa2024

    • 著者名/発表者名
      T. Eto,Y. Nakamoto,T. Kagayama,Y. Adachi,S. Kawaguchi,N. Hirao,Y. Uwatoko,M. Nagasako,T. Kanomata
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 109(1) ページ: 14101

    • DOI

      10.1103/physrevb.109.014101

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Pressure-induced superconductivity and robust Tc against external pressure in (Ge,Sn,Pb)Te2024

    • 著者名/発表者名
      R. Matsumoto, K. Yamane, Y. Mizuguchi, R. Ishikawa, K. Takae, R. Kurita, H. Usui, M. Ohkuma, K. Terashima, Y. Takano
    • 雑誌名

      J. Alloy. Compd.

      巻: 983 ページ: 173906

    • DOI

      10.1016/j.jallcom.2024.173906

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electrical Transport Properties of van der Waals Insulator CrGeTe3 under Extremely High Pressure up to 52 Gpa2024

    • 著者名/発表者名
      R. Matsumoto, S. Yamamoto, K. Terashima, K. Yamane, Y. Takano
    • 雑誌名

      J. Phys. Soc. Jpn.

      巻: 93 ページ: 044710 5p

    • DOI

      10.7566/JPSJ.93.044710

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Superconductors hydrogen-based2023

    • 著者名/発表者名
      Katsuya Shimizu
    • 雑誌名

      Reference Module in Materials Science and Materials Engineering

      巻: Online ページ: -

    • DOI

      10.1016/b978-0-323-90800-9.00270-5

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Stoichiometric Ternary Superhydride LaBeH8 as a New Template for High-Temperature Superconductivity at 110 K under 80 GPa2023

    • 著者名/発表者名
      Yinggang Song,Jingkai Bi,Yuki Nakamoto,Katsuya Shimizu,Hanyu Liu,Bo Zou,Guangtao Liu,Hongbo Wang,Yanming Ma
    • 雑誌名

      Phys. Rev. Lett.

      巻: 130 ページ: 266001

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.130.266001

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] 室温付近超伝導2023

    • 著者名/発表者名
      清水 克哉
    • 雑誌名

      日本物理学会誌

      巻: 78(5) ページ: 252-253

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 高圧力下の超伝導研究2023

    • 著者名/発表者名
      清水 克哉
    • 雑誌名

      熱測定

      巻: 50(1) ページ: 3-6

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Crystal Structure Prediction of Multi-Phase Materials by Data Assimilation2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Kubo, R. Sato, Y. Zhao, T. Ishikawa, and S. Tsuneyuki
    • 雑誌名

      Proceeding of CCP2023 - 34th IUPAP Conference on Computational Physics

      巻: - ページ: -

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Evolutionary Search for Superconducting Phases in the Lanthanum-Nitrogen-Hydrogen System with Universal Neural Network Potential PFP2023

    • 著者名/発表者名
      T. Ishikawa and S. Tsuneyuki
    • 雑誌名

      Proceeding of CCP2023 - 34th IUPAP Conference on Computational Physics

      巻: - ページ: -

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Nonreciprocal supercurrent in thin film of type II superconducting Sn2023

    • 著者名/発表者名
      M. Ohkuma, R. Matsumoto, Y. Takano
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 16(4) ページ: 043004, 4 pp.

    • DOI

      10.35848/1882-0786/acc8b5

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Absence of Tc-Pinning Phenomenon under High Pressure in High-Entropy REO0.5F0.5BiS2 Layered Superconductor2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Mizuguchi, K. Yamane, R. Matsumoto, K. Hoshi, A. Yamashita, A. Miura, Y. Nakahira, H. Kadobayashi, S. I. Kawaguchi, Y. Takano
    • 雑誌名

      J. Phys. Soc. Jpn.

      巻: 92 ページ: 114702 5p

    • DOI

      10.7566/JPSJ.92.114702

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Synthesis and Characterization of a Trigonal Layered Compound AgInS22023

    • 著者名/発表者名
      Takahiro Sawahara, Ryo Matsumoto, Yuki Nakahira, Hidetomo Usui, Noriyuki Kataoka, Ryusei Saitou, Takanori Wakita, Takayoshi Yokoya, Aichi Yamashita, Yosuke Goto, Yoshihiko Takano, Akira Miura, and Yoshikazu Mizuguchi
    • 雑誌名

      ACS Omega

      巻: 8(12) ページ: 11288-11292

    • DOI

      10.1021/acsomega.2c08289

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Glassy atomic vibrations and blurry electronic structures created by local structural disorders in high-entropy metal telluride superconductors2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Mizuguchi, H. Usui, R. Kurita, K. Takae, M. R. Kasem, R. Matsumoto, K. Yamane, Y. Takano, Y. Nakahira, A. Yamashita, Y. Goto, A. Miura, C. Moriyoshi
    • 雑誌名

      Materials Today Physics

      巻: 32 ページ: 101019

    • DOI

      10.1016/j.mtphys.2023.101019

    • 査読あり
  • [学会発表] Search for superconductivity in La-N-H by evolutionary algorithm, neural network potential, and density functional theory2024

    • 著者名/発表者名
      T. Ishikawa and S. Tsuneyuki
    • 学会等名
      International Symposium on Quantum Electronics
    • 国際学会
  • [学会発表] Matlantisと進化的アルゴリズムの連動によるランタン-白金-水素系超伝導の探索2024

    • 著者名/発表者名
      石河孝洋, 田中悠太, 常行真司
    • 学会等名
      日本物理学会2024年春季大会
  • [学会発表] 水素化物高温超伝導について最近の研究から2023

    • 著者名/発表者名
      石河孝洋
    • 学会等名
      第36期CAMMフォーラム本例会
    • 招待講演
  • [学会発表] Synthesis of Superconductive Lanthanum-Based Hydrides2023

    • 著者名/発表者名
      Katsuya Shimizu
    • 学会等名
      8th International Conference on Superconductivity and Magnetism
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 高圧力がつくる水素化合物の高温超伝導2023

    • 著者名/発表者名
      榮永茉利
    • 学会等名
      ISSPワークショップ 新物質研究の最前線:特徴的なアプローチが導く新物性・新機能
    • 招待講演
  • [学会発表] 超高圧力による物質科学 -超伝導研究を中心に-2023

    • 著者名/発表者名
      清水 克哉
    • 学会等名
      低温工学・超電導学会関西支部 2023年度第1回講演会・見学会
  • [学会発表] アルミニウムをドープしたランタン水素化物の高温高圧合成と超伝導探索2023

    • 著者名/発表者名
      清水克哉 ,松本聖司 ,榮永茉利 ,中本有紀,加賀山朋子,河口沙織,平尾直久,大石泰生
    • 学会等名
      第39回希土類討論会
  • [学会発表] 進化的アルゴリズムによる新物質探索2023

    • 著者名/発表者名
      石河孝洋
    • 学会等名
      2023 年度 東京大学物性研究所 社会連携研究部門&データ連携部会合同シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] Synthesis of Light-Element-Doped Lanthanum Superhydrides2023

    • 著者名/発表者名
      Katsuya Shimizu
    • 学会等名
      The Joint 28th AIRAPT and 60th EHPRG International Conference on High Pressure Science and Technology
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Crystal structure and superconductivity of alkaline earth metal Strontium at low temperature and high pressure2023

    • 著者名/発表者名
      Yuki Nakamoto
    • 学会等名
      The Joint 28th AIRAPT and 60th EHPRG International Conference on High Pressure Science and Technology
    • 国際学会
  • [学会発表] Search for Superconductivity of Layered Iron Superhydrides Synthesized under High Temperature and High Pressure2023

    • 著者名/発表者名
      Misaki Sasaki
    • 学会等名
      The Joint 28th AIRAPT and 60th EHPRG International Conference on High Pressure Science and Technology
    • 国際学会
  • [学会発表] Evolutionary Search for Superconducting Phases in the Lanthanum-Nitrogen-Hydrogen System with Universal Neural Network Potential PFP2023

    • 著者名/発表者名
      T. Ishikawa and S. Tsuneyuki
    • 学会等名
      CCP2023 - 34th IUPAP Conference on Computational Physics
    • 国際学会
  • [学会発表] Crystal Structure Prediction of Multi-Phase Materials by Data Assimilation2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Kubo, R. Sato, T. Ishikawa, and S. Tsuneyuki
    • 学会等名
      CCP2023 - 34th IUPAP Conference on Computational Physics
    • 国際学会
  • [学会発表] Sub-millisecond XRD measurement system while changing temperature and pressure using diamond-anvil cells at beamline B10XU of SPring-82023

    • 著者名/発表者名
      S.Kawaguchi-Imada, R.Sinmyo, K.Ohta, S.Kawaguchi, T.Kobayashi
    • 学会等名
      IUCr2023ー26th Congress
  • [学会発表] Matlantisと進化的アルゴリズムの連動によるランタン-窒素-水素系超伝導の探索2023

    • 著者名/発表者名
      石河孝洋, 常行真司
    • 学会等名
      日本物理学会第78回年次大会
  • [学会発表] CeMnSiの低温高圧下構造相転移2023

    • 著者名/発表者名
      西山紗恵, 小林直生, 林純一, 武田圭生, 関根ちひろ, 清水克哉, 神田昂輝, 高橋博樹, 谷田博司, 川村幸裕
    • 学会等名
      日本物理学会 第78回年次大会
  • [学会発表] 高圧力下での量子計測の試み:圧力と磁場の可視化2023

    • 著者名/発表者名
      須田涼太郎, 佐々木健人, 小林研介, 瓜生健心, 佐々木岬, 榮永茉利, 清水克哉
    • 学会等名
      日本物理学会 第78回年次大会
  • [学会発表] 高圧力下での量子計測の試み:量子センサの導入2023

    • 著者名/発表者名
      瓜生健心, 清水克哉, 須田涼太郎, 佐々木健人, 小林研介
    • 学会等名
      日本物理学会 第78回年次大会
  • [学会発表] 進化的アルゴリズムとニューラルネットワークポテンシャルによるランタン-窒素-水素系超伝導の探索2023

    • 著者名/発表者名
      石河孝洋
    • 学会等名
      ipi - ダイキンシンポジウム
  • [学会発表] 軽元素をドープしたランタン水素化物の高温超伝導探索2023

    • 著者名/発表者名
      清水 克哉, 佐々木 岬, 榮永 茉利, 中本 有紀, 河口 沙織
    • 学会等名
      第64回 高圧討論会
  • [学会発表] 層状水素化物FeHx(x>1)の高温高圧合成と超伝導探索2023

    • 著者名/発表者名
      佐々木 岬, 榮永 茉利, 中本 有紀, 清水 克哉, 河口 沙織
    • 学会等名
      第64回 高圧討論会
  • [学会発表] 進化的アルゴリズムとニューラルネットワークポテンシャルによるランタン-窒素-水素系超伝導の探索2023

    • 著者名/発表者名
      石河孝洋, 田中悠太, 常行真司
    • 学会等名
      第63回高圧討論会
  • [学会発表] X線回折データ同化計算による複数相の結晶構造決定2023

    • 著者名/発表者名
      久保祐貴, 佐藤龍平, 石河孝洋, 常行真司
    • 学会等名
      第63回高圧討論会
  • [学会発表] 高圧力下で動作する超伝導転移端センサの開発2023

    • 著者名/発表者名
      佐々木 岬, 中本 有紀, 清水 克哉
    • 学会等名
      第64回 高圧討論会
  • [学会発表] 高圧力下における量子計測の試み2023

    • 著者名/発表者名
      瓜生 健心, 清水 克哉, 須田 涼太郎, 佐々木 健人, 小林 研介
    • 学会等名
      第64回 高圧討論会
  • [学会発表] 高圧力下におけるルテチウム水素化物の超伝導探索2023

    • 著者名/発表者名
      時任 晃成, 榮永 茉利, 中本 有紀, 清水 克哉, 河口 沙織
    • 学会等名
      第64回 高圧討論会
  • [学会発表] 高圧下で高温超伝導を示す水素化物の現状と中性子への期待2023

    • 著者名/発表者名
      榮永 茉利, 佐々木 岬, 中本 有紀, 清水 克哉
    • 学会等名
      第64回 高圧討論会
  • [学会発表] 高圧力下の水素化物合成および超伝導検証に向けた実験手法2023

    • 著者名/発表者名
      中本 有紀, 榮永 茉利, 佐々木 岬, 清水 克哉, 中野 智志, 河口 沙織, 平尾 直久, 大石 泰生
    • 学会等名
      第64回 高圧討論会
  • [学会発表] C-S-HおよびN-Lu-Hの3元系水素化物の合成と超伝導の検証2023

    • 著者名/発表者名
      中本 有紀, 榮永茉利, 清水 克哉, 河口 沙織, 平尾 直久, 中野 智志, 折茂 慎一, 金 相侖, 木須 一彰
    • 学会等名
      第64回 高圧討論会
  • [学会発表] 水素化物超伝導体の高圧力下ミュオン実験手法の開発2023

    • 著者名/発表者名
      加門 真佳, 清水 克哉, 幸田 章宏
    • 学会等名
      第64回 高圧討論会
  • [学会発表] High-Temperature Superconductivity in Rare Earth Superhydrides2023

    • 著者名/発表者名
      Katsuya Shimizu
    • 学会等名
      Muroran Institute of Technology Rare Earth Workshop 2023 (REWS2023)
    • 招待講演
  • [学会発表] ランタン系超伝導水素化物の合成実験2023

    • 著者名/発表者名
      清水 克哉
    • 学会等名
      117th CEMS Colloquium
    • 招待講演
  • [学会発表] Evolutionary Search for Superconducting Phases in the Lanthanum-Nitrogen-Hydrogen System with Universal Neural Network Potential PFP2023

    • 著者名/発表者名
      T. Ishikawa and S. Tsuneyuki
    • 学会等名
      MRM2023/IUMRS-ICA2023 Grand Meeting
    • 国際学会
  • [学会発表] High-Pressure Synthesis of Lanthanum-Based Superconductive Hydrides2023

    • 著者名/発表者名
      Katsuya Shimizu, Misaki Sasaki, Mari Einaga, Yuki Nakamoto, Saori Kawaguchi, Naohisa Hirao
    • 学会等名
      MRM2023/IUMRS-ICA2023
    • 国際学会 / 招待講演
  • [図書] Hydrogenomics: The Science of Fully Utilizing Hydrogen2023

    • 著者名/発表者名
      清水克哉 (担当:共著, 範囲:3.6 Hydride high-temperature superconductivity)
    • 総ページ数
      304
    • 出版者
      共立出版
    • ISBN
      9784320952072
  • [備考] 科研費 基盤研究(S)

    • URL

      http://www.hpr.stec.es.osaka-u.ac.jp/kibans_home/

URL: 

公開日: 2024-12-25  

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