ケルビンの進歩。超伝導体産業における地球温暖化とそれが私たちにとって何を意味するか

超伝導の現象は、1911年に伝説的なオランダの物理学者であるHeikeKamerling-Onessによって発見されました。彼は決して偶然にこの発見に来ませんでした。 1882年にライデン大学で働いていたとき、彼はガスを液化するための設備を発明し、その結果、彼は液体の窒素、ネオン、ヘリウムを連続して得ることができました。ヘリウムの沸点が4Kをほとんど超えないため、Kamerling-Onessは途中で超低温を実験することを学び、約4.15Kで水銀の抵抗がなくなることを発見しました。科学者は装置を信じていなかったので「事実上消える」と慎重に書いたことが知られてい ますが、実際には、物質が臨界温度（T）に達するとすぐに、超伝導体の抵抗はゼロに低下し、突然に低下します。 _c）。



超伝導を使用する物理的原理と可能性（すでに実装されているものを含む）は、文献やインターネットに豊富に記載されているため、ここでは、この現象の本質とその応用の可能性についての簡単な説明に限定し、最も興味深いものに移ります：何（画期的な）発見超伝導領域は、文字通り過去1年間に完成しました。



超伝導に関する詳細で人気のある情報は、ElementsのWebサイトに掲載されているVitalyGinzburgとEvgenyAndryushinの本に記載されています。超伝導の歴史的および実用的な側面のより人気のあるプレゼンテーションは、東芝ブログのハブレに関する非常に興味深い 資料にあります。2019年7月29日付けの記事、その指標： 







したがって、ほとんどの物質は導体または誘電体に起因する可能性があります。電流は、ソースからレシーバーまで材料（主に導電性の固体または液体）を高速で透過する一連の電子です。どんな物質にもある程度の耐性指数があります。抵抗は物質内の原子の動きによるものであり、これらの原子は、ベース位置から外れて常に振動するため、ストリームから電子の一部を捕捉します。温度が高いほど、この現象はより顕著になります。しかし、超伝導状態に達すると、物質内の原子の動きが停止し、電子が支障なく浸透します。明らかに、この状態は非常に低い温度で発生するはずです。そのため、Kamerling-Onessは、ある温度で水銀、鉛、スズについてそれを発見しました。絶対ゼロに近い、つまり0Kまたは-273.16°C。任意に弱い電流は、超伝導物質に無期限に存続する可能性があります。すでに1933年に（Kamerling-Onessは1926年に亡くなりました）、WalterMeissnerとRobertOchsenfeldは、超伝導に伴う同様に印象的な特性を発見しました。超伝導物質がそれ自体の磁場を完全に押し出すことが判明しました。そしてこれは、磁気共鳴イメージングやなどの未来的な（当時の）ものへの道を開きます超伝導物質がそれ自身の磁場を完全に押し出すこと。そしてこれは、磁気共鳴イメージングやなどの未来的な（当時の）ものへの道を開きます超伝導物質がそれ自身の磁場を完全に押し出すこと。そしてこれは、磁気共鳴イメージングやなどの未来的な（当時の）ものへの道を開きます 磁気浮上、および熱核反応器の作成 。    



ここで、Kamerling-Onessが重金属を実験し、超伝導状態になり、水銀、金、鉛からなる最初の合金を発見したことに注目します。したがって、可能な限り高い温度で超伝導特性を獲得する物質の探索は、超伝導の実用化への道の主要な課題となっている。







金属、超伝導遷移温度および発見年。イラストの出典



そのため、高温超伝導体の分野での科学的調査は、重金属から遷移金属、合金、金属間化合物、および非金属へと徐々に移行しています。銅化合物（銅酸化物）および希少および希土類金属（サマリウム、イットリウム）が関与する化合物は特に有望であることが判明しました。







出典（2019年10月）



このグラフから明らかなように、水平方向は物質の超伝導特性が発見された年であり、垂直方向は超伝導状態への遷移の温度です。金属、金属と半金属および非金属の化合物は青色で示されています。このカテゴリでは、ニオビウム（Nb）に注意を払う必要があります。ニオビウム（Nb）の化合物は、初めて超伝導しきい値を20 Kの領域に上げることができました。銅酸化物は赤で示され、その中で最も有名なのは、おそらく YBaCuO（イットリウム、バリウム、銅、酸素）です。 、液体窒素の沸点を超える超伝導特性を獲得する。



ランタニド（ランタナムLaおよびサマリウムSm）と鉄（Fe）および窒素基（P、As）の元素との化合物は緑色で示されています。これは、1940年に窒化ニオビウムの超伝導性が調査されたことを考えると、論理的です。



YBaCuOはこの記事の文脈で非常に重要であるため、その結晶構造の画像とこの構造の詳細な説明を示します。 （A）δ= 0（YBa ₂ Cu ₃ O ₇）の場合







のYBa ₂ Cu ₃ O ₇ −δの結晶構造。b軸に沿った基底面のすべての酸素位置が占有され、（B）δ= 1（YBa ₂ Cu ₃ O ₆）これらすべてのポジションが占有されていない場合。このようなサンプルを酸素雰囲気で急冷すると、中程度の酸素充填が達成されます。結晶構造は、δ≥0.6の場合は四角形で、δ<0.6の場合は斜方晶です。



YBCO構造の結晶構造が複雑で変化 ペロブスカイト図4のように示されているが、単位セルがYBCOキューブYCuOから構成され、図から明らかである ₃ に隣接する頂部および底部キューブBaCuOに ₃、しかし同時に、いくつかの酸素位置は空のままです。イットリウム原子と同じ水平面にある酸素位置は決して満たされません。そのため、既存の酸素原子はイットリウム原子に向かってわずかにシフトします。 YBaの斜方晶相 ₂のCu ₃ O _7-δは、  δの値が非常に小さいとき、= 0.382 nmで、B = 0.388 nmおよびC = 1.168ナノメートル以下の格子パラメータを有しています。 YBCOの酸素含有量は、その結晶構造とCuO2平面の正孔の頻度を決定します。 δ= 1で、化合物（YBa ₂ Cu ₃ O ₆) . δ = 0,4 , Y-Ba-Cu-O . Tc  92 K δ ≈ 0,06, , , . , δ < 0,06 T_c  , , CuO₂  .四角形相の形成は700〜900°Cの範囲の温度で観察され、斜方晶相は酸素雰囲気中で約550°Cの温度にゆっくりと冷却されると形成されます。四角形から斜方晶相への移行中に、物質から応力が除去されるため、多くの異なるツインドメインが形成されます。四角形相では、酸素原子は基底面で割り当てられた場所の約半分をランダムに占め、その間に、斜方晶相で発生するCu-O鎖にb方向に整列します。このため、斜方晶相では、酸素原子の位置がa方向に空になり、その後、a <bとなるようにユニットセルがわずかに圧縮されます。超伝導性への貢献は平面CuOとして行われます ₂およびCuO鎖は斜方晶相に存在します。



前の節の最も重要な部分は太字で示されています。実際、超伝導性と磁場反発力は、材料の格子の原子構造ほどではなく、材料の温度にも関連しています。 YBCOは、超伝導体や絶縁体と同様に使用できます。その特性は、結晶格子内の酸素原子の位置に依存します。



同様の現象により、可能な限り互いに近接して配置された平坦なグラフェン層で超伝導を達成することが可能になります。いわゆる「魔法の角度」によって1つのグラフェン層を別の層に対して回転させるとき 「（約1.1度）超伝導が現れる。ただし、–269°Cのオーダーの非常に低い温度では。グラフェンの超伝導特性の詳細については、「フラットグラフェンからの超伝導体」の資料に記載されてい ます。ハブレのフラットゾーンの研究。







したがって、超伝導物質を検索するための有望な方法は、金属と非金属のエキゾチックな化合物の研究につながります。納得するとすぐに、金属水素化物は窒化物よりもさらに高い温度で超伝導状態になります。同時に、このような遷移の温度は、巧妙な接続の選択だけでなく、圧力を上げることによっても上昇する可能性があることに注意してください。



2015年頃まで、銅酸化物は間違いなくますます高温の超伝導体のリーダーシップを支配し、1993年に合成されたHgBa ₂ CuO _{4 +δ}（水銀-バリウム-銅-酸素）は、164Kの温度で超伝導状態に入る絶対的な記録保持者でした。 109°C。しかし、2015年にそれがされた 発見し203 K（のみ-70°C）の温度で、硫化水素Hこと₂ Sは超伝導状態になります 。ただし、このような遷移には150万気圧の圧力が必要であり、超伝導体として硫化水素を使用する可能性は事実上排除されます。それにもかかわらず、この発見は、水素化物の超伝導性の探求を引き起こした。



2019年5月、水素化ランタン（LaH ₁₀）の 超伝導 性が-23°Cの温度で確認されました-この温度と圧力で約200万気圧で、水素化ランタンはその磁場を取り除きました。 2019年11月、水素化トリウムThH ₁₀が得られ ました。この超伝導性は、–112°Cの温度と170万気圧で発生します。 SkoltechのスペシャリストであるArtemOganovとIvanTroyanは、この成果において重要な役割を果たしています。











最後に、2020年10月、ロチェスター大学は、約260万気圧の圧力と、室温に近い温度である15℃で、炭素質硫黄水素化物の超伝導性を達成することに成功しました。



したがって、科学が比較的安価で実現可能な高温超伝導に近づくには、2つの方法があります。



大気圧で銅酸化物を実験し、Tcを徐々に上昇させて、約200 K（-73°C）まで中程度の凍結にします。



すでに室温で超伝導性を得ることが可能になっている水素化物を実験しており、圧力を数百万気圧から許容可能な気圧に下げようとしています。



もちろん、3番目の方法、つまりホウ素化合物の使用について言及する必要があります。年表の右隅に上記マグネシウムホウ化のMgBある ₂。

単純な物質（ボロンとマグネシウム）を焼結することによって得られ、ニオブ-チタン合金の代わりとしてすでに断層撮影装置の構築に使用されています。この物質の臨界温度は–39 Kです。つまり、超伝導ニオビウム化合物の臨界温度よりもはるかに高くなっています。ホウ素ベースの超伝導体を用いた実験が続けられ（このクラスの物質は通常の大気圧で超伝導性を達成することを繰り返します）、最も有望なホウ素含有材料の1つはBSiC _2であり、その記事が公開されています。 2020年3月。理論計算によれば、Tの到達すべき _Cを73.6約K、及びそれに関連する、より安定な化合物BCの温度で ₃〜約40 Kの温度で-



があり 慎重仮定は、それによれば、純粋な金属水素は、室温で動作する理想的な超伝導体になり得る。さらに、2019年9月26日に公開された記事「圧力下の超伝導水素化物」に記載されたスキームによれば、固体金属水素は、750 Kを超える温度、つまりほぼ500℃までの温度まで超伝導特性を維持できます。一方、これには400GPaを超える巨大な圧力が必要になります。







1つの アプローチ、おそらく水素の関与により超伝導性を得るために圧力を下げることができます-水素原子で最大に飽和する炭化水素化合物を実験するために、そして炭素は強力な電子結合を提供し、圧力が解放されても材料が無傷のままである可​​能性があります。それにもかかわらず、炭素、水素、硫黄などの化合物を使った実験では 、おそらくまだ考慮されていない原子間の量子力学的効果が作用しているため、まだ望ましい結果が得られていません。



この時点で、レビューは臆病な「まあ、金属水素を手に入れましょう-それから話しましょう」で終わったかもしれませんが、別の方法で終了します。



水素化トリウムの発見された超伝導性に関連して上記で言及されたArtemOganovとIvanTroyan、およびSkoltechの大学院生DmitrySemyonokとMIPTのAlexanderKvashninは、進化的なUSPEXアルゴリズムを開発しました。このアルゴリズムは、温度Tの達成予測可能に _Cを周期律表の構成要素の位置に応じて、特定の結晶構造中。 USPEXアルゴリズムの詳細な概要は、ここに記載さ れています。現在、これらの依存関係を認識し、高温超伝導を提供する圧力を許容値にすることを可能にする接続を探すために、ニューラルネットワークを訓練することが計画されています。



このチームの成功が非常に近いことは、まだ期待されていません。