甲南大学理工学部物理学科 山﨑篤志教授の研究グループは、日本大学 出村郷志助教、大阪公立大学 三村功次郎教授、高輝度光科学研究センター 河村直己主幹研究員、大阪大学大学院基礎工学研究科 関山明教授、同大学 藤原秀紀助教、摂南大学 東谷篤志准教授、理化学研究所 玉作賢治チームリーダー、同研究所 濱本諭リサーチアソシエイト、立命館大学 今田真教授、東京理科大学 坂田英明教授などと共同で行なった大型放射光施設SPring-8のビームラインBL39XUとBL19LXUでの研究により、層状硫化ビスマス化合物（LaO_0.5F_0.5BiS₂）に微量の鉛を添加することでこの物質の超伝導の特性が向上する原因について世界で初めて特定することに成功しました。

山﨑教授らの研究グループは、量子ビームの一種である放射光を利用した高分解能エックス線吸収分光実験およびエックス線光電子分光実験を行い、鉛を添加した超伝導体はマイナス223℃以下の低温になると7000気圧以上の高圧で作製された鉛無添加の超伝導体と非常によく似た状態に変化することを突き止めました。鉛を添加することにより大気圧で簡便に作製でき、加えて高品質な結晶を作ることもできるようになったため、量子技術への応用とSociety 5.0実現を目指した超伝導材料開発分野への波及効果が期待されます。

層状硫化ビスマス化合物の一種であるLaO_0.5F_0.5BiS₂はマイナス270℃以下で超伝導体になりますが、体積のごく一部分しか超伝導体にならない、という問題点がありました。鉛を添加することで超伝導体になる温度が約30％上昇し、大部分が超伝導体となります。しかし、この特性向上の原因は不明でした。一方、この層状硫化ビスマス化合物を7000気圧以上に加圧して高温で焼結させることで、同様に特性が向上することが知られていました。しかし、鉛を添加することと高圧をかけることが同様の効果をもたらすのかどうかについても、不明なままでした。

超伝導は物質の中の伝導電子がペアになることで発現するため、層状硫化ビスマス化合物の固体内部（バルク）の電子の状態を明らかにする必要がありました。

図1. SPring-8における高分解能エックス線吸収分光実験の様子。量子ビームである入射エックス線を層状硫化ビスマス化合物に照射すると、吸収されるエックス線量に応じて蛍光エックス線が放出されます。このエックス線を更に分光結晶で分光することで高いエネルギー分解能の結果が得られます。

図2. 鉛添加量9%の結果からは、温度50ケルビン（マイナス223℃）以下でエックス線吸収スペクトルの形が変化し、超伝導特性の良い鉛無添加の高圧合成した場合の結果と非常によく似ていることがわかりました。これは、超伝導の鍵となる電子の状態が、両者で非常によく似ていることを示しています。

図3. エックス線光電子分光実験からは、超伝導の鍵になる元素であるビスマスの原子価（価数）が鉛を添加することで変化していることが確認されました。実験結果は、図中の黄色塗りがビスマス3価、赤塗りがビスマス2価という2つの価数の状態が重ね合わせの状態として同時に物質の中に存在していることを示しています。