大阪大学大学院理学研究科の黒木和彦 教授と越智正之 准教授らの研究グループは、鳥取大学学術研究院工学部門の榊原寛史 准教授との共同研究により、ニッケル酸化物La₃Ni₂O₇(図1：左)について、圧力下で最大超伝導転移温度(T_c)=80Kの高温超伝導が発現する要因を理論的に解明しました。La₃Ni₂O₇は、2017年に黒木教授らによって高温超伝導が発現する可能性が指摘されており(M. Nakata et al., Phys. Rev. B 95, 214509 (2017) 以下, 論文Aとします)、今回の理論研究は、より詳細な計算により、論文Aの理論予想を裏付けたことになります。

高温超伝導の歴史は銅酸化物に始まり、鉄系超伝導、超高圧下における水素化物(典型的に200万気圧の圧力下でT_c >200 K)と続いてきました。水素化物と、銅酸化物や鉄系超伝導との大きな違いは、超伝導の発現機構にあります。前者は「従来型超伝導」に属しており、原子の振動が超伝導発現に重要な役割を果たすのに対し、後者は「非従来型超伝導」と呼ばれ、電子間に働く強い反発力が超伝導発現の起源に深く関わっていると考えられています。従来型超伝導の理論研究の歴史は古く、高度に成熟しているため、水素化物の高圧下高温超伝導は、理論的に予想されてから実験的に実証されました。一方、これまで非従来型高温超伝導においては、その膨大な努力にもかかわらず、理論予想が実験に先行した例はありませんでした。今回の理論研究で、黒木教授らの論文Aが、実験に先んじてLa₃Ni₂O₇における非従来型超伝導を予想していたことが裏付けられたことにより、史上初めて、非従来型高温超伝導において、理論予想が実験に先行したことになります。

本研究成果は上記の黒木教授、榊原准教授、越智准教授の他に、2019-2021年に大阪大学大学院理学研究科修士課程に在学して、本研究に関する源流的な研究を行っていた北峯尚也氏との共同研究です。また、研究遂行に際し日本学術振興会科学研究費助成事業（22K03512, 22K04907）の支援を受けました。発表論文は2024年３月４日にアメリカ物理学会が発行する「Physical Review Letters」（インパクトファクター＝8.6）に掲載されました。

図1. 左：La₃Ni₂O₇の結晶構造。右：超伝導に重要であると考えられる原子軌道を抜き出して描いたもの。

銅酸化物における高温超伝導の発見は、その翌年に異例の速さでノーベル物理学賞を受賞していることからもわかるように、科学史上に残る金字塔です。黒木教授らのグループは、2000年代初頭から、銅酸化物を上回るT_cを実現するための方策を研究してきました。理論模型の範囲では高いT_cを実現することが可能でも、それを現実の物質で実現することは容易ではありません。様々な検討を重ねた結果、黒木教授らは、2017年の論文Aにおいて、La₃Ni₂O₇が、理想な理論模型そのものではないにせよ、それに近い状況を実現しうることを見出しました。その6年後の2023年5月、中国の中山大学のグループが、プレプリントサーバーarXiv上で、La₃Ni₂O₇が圧力下において、最大T_c =80Kの高温超伝導を示すことを発表し、同9月にNature誌に出版されました(H. Sun et al., Nature 621, 493 (2023))。この論文がarXivに5月に現れて以降、黒木教授、榊原准教授、越智准教授は共同研究を開始し、6月にはarXivに論文を発表しました。以降、膨大な数の関連する実験、理論の論文がarXiv上に発表されており、研究は世界的な活況を呈しています。

ニッケル酸化物La₃Ni₂O₇は、ニッケルと酸素が構成する二次元平面を二層重ねた構造を一つの単位として結晶が構成されています。それゆえ、「二層型」と呼ばれます。圧力下で高温超伝導を示すため、本研究では、圧力下の電子状態を正確に記述する理論模型を構築しました。このような理論模型に対して、多電子系の問題を扱うことができるある種の理論計算を施すことによって、黒木教授と榊原准教授はこれまで、銅酸化物におけるT_cの物質依存性や、別の種類のニッケル酸化物超伝導体(Nd,Sr)NiO₂においてT_cが低くなる理由などを解明してきました。この理論手法においては、理論的なT_cと正相関する量（ここではlと呼びます）を計算し、lの大小により理論的Tcの高低を論じます。今回、この手法を用いて圧力下におけるLa₃Ni₂O₇を解析したところ、lの値としてT_c =80Kと整合する結果を得ました。

図2に理論的に計算されたlと実験的に観測されるT_cを各種非従来型超伝導体に対してまとめました。各種銅酸化物や(Nd,Sr)NiO₂も含め、理論的なT_cと実験的に観測されるT_cの高低が整合していることは理論の信頼性の高さを示しています。

そして、La₃Ni₂O₇の高いT_cの起源は、(i)超伝導にとって重要なニッケルの原子軌道の層間の電子的結合が強いこと(すなわち、層と層の間で電子が行き来しやすいこと、図1：右)、また、(ii)その重要な原子軌道一つあたり、平均して約一つの電子が存在していることが重要であることがわかりました。2017年の黒木教授らの論文Aの研究においては、今回の研究ほどの定量性を持った計算は行われていませんでしたが、「La₃Ni₂O₇においては上記(i)(ii)の条件がそろっているため、高温超伝導発現に適している」ことが述べられており、La₃Ni₂O₇における実験結果と今回の理論研究により、その予想が正しかったことが明らかになりました。

また、黒木教授、越智准教授、榊原准教授は、本研究の流れに乗って、三層型ニッケル酸化物La₄Ni₃O₁₀の理論研究も推し進めました。その結果、二層型のLa₃Ni₂O₇ほどではないにせよ、相対的に低めのT_cを持つ銅酸化物なみの超伝導が圧力下で発現する可能性を見出しました。そこで、物質材料研究機構の高野義彦氏のグループと理論・実験の共同研究を行い、La₄Ni₃O₁₀の超伝導の実証にも成功しました（H. Sakakibara, M. Ochi, Y. Takano, K. Kuroki et al., arXiv:2309.09462, 図2参照）。

図2. 理論計算と実験測定データの相関関係。三角形が本研究で調べた物質（La₃Ni₂O₇, La₄Ni₃O₁₀）を指す。円形は一層型の超伝導体を指す。

現在までのところ、二層型、三層型ともに超伝導発現には圧力をかけることが必須です。常圧で高温超伝導を実現するにはどうすればよいか、世界中でしのぎを削って研究が行われています。実現すれば、基礎研究・応用研究に極めて大きな展望が開けることが期待されます。

本研究成果は、202４年３月４日に米国科学誌「Physical Review Letters」に掲載されました。

タイトル：Possible High T_c Superconductivity in La₃Ni₂O₇ under High Pressure through Manifestation of a Nearly Half-filled Bilayer Hubbard Model
著者名：Hirofumi Sakakibara, Naoya Kitamine, Masayuki Ochi, Kazuhiko Kuroki
DOI：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.106002

黒木 和彦 教授 研究者総覧
https://rd.iai.osaka-u.ac.jp/ja/8db4145f2526e89b.html