Transcript 小池洋二 - 応用物理学専攻

第76回サイエンスカフェ（2012年1月27日，せんだいメディアテーク）
超低温の神秘・超伝導の不思議
東北大学大学院工学研究科応用物理学専攻
工学部情報知能システム総合学科
ナノサイエンスコース
小池 洋二
自己紹介：小池洋二
愛媛県松山市出身
東京大学理学部物理学科卒業
東京大学大学院理学系研究科博士課程修了（理学博士）
東北大学金属材料研究所助手
研究者になっ
東北大学工学部応用物理学科助教授、教授
たきっかけ
研究のきっかけ
１．高温超伝導のメカニズムの解明を目指した物性研究
２．室温超伝導物質の発見を目指した新超伝導物質の探索的研究
趣味：テニスと草野球
研究室のホームページ： http://www.apph.tohoku.ac.jp/low-temp-lab/
超低温の神秘・超伝導の不思議
１．超低温
２．超伝導の発見
３．超伝導の応用
４．超伝導のメカニズム
５．室温超伝導をめざした研究
温度を下げるにはどうする？
 寒剤（冷やすもの）を使う
氷（H2O）
273 K
= 0℃
ドライアイス（CO2）
195 K
= -78 ℃
液体窒素（N2）
液体ヘリウム（He）
77.3 K = -196 ℃
4.2 K = -269 ℃
0K
= -273 ℃
最も基本的な物理量
電気抵抗値
金 属：小
絶縁体：大
半導体：中
電気抵抗：R
電気(電子)の流れにくさ
電圧：V
オームの法則
R=V/I
電圧計
試料
電池
電流：I
電流計
電気抵抗は温度によって変わる
温度が高いとき：原子は熱エネルギーによって激しく振動
抵抗大
+
原子
（イオン）
+
+
+
+
+
+
+
電子
（電流の正体）
-
電気抵抗は温度によって変わる
温度が低いとき：原子の振動は小さくなる
+
原子
（イオン）
+
+
+
+
+
抵抗小
+
+
電子
（電流の正体）
-
金属の電気抵抗の変化を目の当たりにしよう！
電気抵抗
室温
O
液体窒素温度
金属
電池
温度
電流計
１９１１年 水銀で超伝導を発見
１００周年
カマリン・オンネス
（1853-1926）
オランダ ライデン大学教授
５８歳
1908年：ヘリウムの液化に成功
（4.2K）
1913年：ノーベル物理学賞受賞
超低温の神秘・超伝導の不思議
１．超低温
２．超伝導の発見
３．超伝導の応用
４．超伝導のメカニズム
５．室温超伝導をめざした研究
電気抵抗 Ｒ＝０
電力損失 Ｉ２Ｒ＝０
エネルギー節約
経済的
超伝導の応用
電気抵抗 ゼロ → コイル化 : 強力磁石
送電ケーブル
超伝導磁石
超伝導の応用
電気抵抗 ゼロ → コイル化 : 強力磁石
送電ケーブル
超伝導磁石 20テスラ
電磁石
2テスラ
地球磁場
0.00005テスラ
超伝導磁石
S
N
S
N
S
N
N
N
S
S
誘
導
電
流
反発力
リニアモーターカー
山梨リニア実験線（２５ｋｍ）
５５０ｋｍ/ｈ
鉄道総合研究所
地震に強い．安全性高い
重量物の運搬
飛行機より省エネ．CO2フリー．
ＪＲ東海： 2027年 東京 - 名古屋 40 分
2045年 東京 - 大阪
1 時間
東京 - 成田
15 分
超伝導の応用
電気抵抗 ゼロ → コイル化 : 強力磁石
送電ケーブル
超伝導磁石
・磁気浮上列車
（Linear motorcar）
・医療用診断装置（MRI）
ジョセフソン効果
高感度磁場計測素子
ＳＱＵＩＤ
高感度磁場計測デバイス：SQUID
(Superconducting Quantum Interference Device)
超伝導量子干渉計
Φ = nΦ0
n: 整数
Φ0 = 2 x 10-7gauss・cm2
超伝導の応用
超伝導応用マップ
フィルター
A/D変換器
サンプラー
ルーター
コンピュータ
情報・通信
エネルギー
超伝導
医療・診断
発電機
変圧器
限流器
ケーブル
電力貯蔵
核融合
産業・輸送
科学
MRI
SQUID心磁計
SQUID脳磁計
免疫診断装置
電磁波検出器
粒子加速器
NMR
リニアモーターカー
超電導船（モーター）
Si単結晶引き上げ装置
SQUID異物検査装置
超低温の神秘・超伝導の不思議
１．超低温
２．超伝導の発見
３．超伝導の応用
４．超伝導のメカニズム
５．室温超伝導をめざした研究
電気抵抗の原因は？
＋
電子
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
マイナスの電子が
プラスの格子に捕まり
速度が遅くなる
超伝導状態での電気抵抗ゼロ： 衝突しない？
＋
＋
＋
電子１
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
電子２ ＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
E(電子)－ E(格子)
＋
E(電子)＋ E(格子)
正味 電気抵抗率 ゼロ
電子がペアを組んで格子と相互作用すればよい
超伝導電子対
ＢＣＳ理論!! （１９５７年）
超低温の神秘・超伝導の不思議
１．超低温
２．超伝導の発見
３．超伝導の応用
４．超伝導のメカニズム
５．室温超伝導をめざした研究
金属超伝導体（線材）
・Nb-Ti Tc = 10K
・Nb3Sn Tc = 18K
・V3Ga Tc = 15K
液体ヘリウム
必須 !!
液体ヘリウム温度（4.2K）
・超伝導磁石
・磁気浮上列車（Linear motorcar）
・医療用診断装置（MRI）
・高感度磁場計測素子（ＳＱＵＩＤ）
常温
液体ヘリウム不要 !!
電気抵抗 Ｒ＝０
電力損失 Ｉ２Ｒ＝０
エネルギー節約
経済的
応用上、より高いTcを持つ
超伝導材料の開発が望まれる !!
超伝導物質発見の歴史
南極
：- 40℃
ドライアイス ：- 79℃
（min.‐89℃）
超伝導転移温度（K）
現在最高記録
-138℃
液体窒素温度
-196℃
液体ヘリウム温度
-269℃
絶対零度：-273℃
1911
１９８６
酸化物超伝導
発見
高温超伝導の発見
1986年 ベドノルツ と ミューラー
（IBM チューリヒ）
銅酸化物における高温超伝導の発見
(La,Ba)CuO3で
電気抵抗ゼロを発見
東大グループによる追試で
(La,Ba)2CuO4 と解明
Tc~30K
超伝導物質発見の歴史
（min.‐89℃）
超伝導転移温度（K）
南極
：- 40℃
ドライアイス ：- 79℃
世界中で研究
（超伝導フィーバー）
現在最高記録
-138℃
液体窒素温度
-196℃
La2-xSrxCuO4
液体ヘリウム温度
-269℃
絶対零度：-273℃
1911
1986
(1987.2)
La1.85Ba0.15CuO4 (Tc=30K)
超伝導転移温度（K）
初めて液体窒素温度を超える
高温超伝導Y-Ba-Cu-Oの発見
La1.85Sr0.15CuO4 (Tc=40K)
YBa2Cu3O7
1911
笛木教授 （東大）
YBa2Cu3O7 (Tc=90K)
チュー教授 （ヒューストン大）
1986
超伝導フィーバーの理由
（１） 臨界温度Ｔｃの急激な上昇
（２） 試料作製が容易
（３） 液体窒素が使用できる
YBa2Cu3O7 (Tc=90K) の作製
1/2Y2O3 + 2BaCO3 + 3CuO + 1/4O2  YBa2Cu3O7 + 2CO2
加圧
粉末原料
電気炉
焼成前
焼成後
磁石
YBa2Cu3O7
マイスナー効果
超伝導体に磁力線が入れない
電磁気力
重力
超伝導体は磁石にもなる
フィッシング効果
超伝導体が磁石になって
・・・磁石が宙づりに！
非超伝導体
Y2BaCuO5
超伝導体
YBa2Cu3O7
HgBa2Ca2Cu3Ox
La1.85Ba0.15CuO4 (Tc=30K)
(1993)
TlBa2Ca2Cu3Ox
La1.85Sr0.15CuO4 (Tc=40K)
YBa2Cu3O7 (Tc=90K)
超伝導転移温度（K）
(1988.3)
Bi2Sr2Ca2Cu3Ox
(1988.1)
Bi2Sr2Ca2Cu3O10 (Tc=110K)
前田弘 （金材研）
Tl2Ba2Ca2Cu3O10
(Tc=120K)
HgBa2Ca2Cu3O8
(Tc=135K)
現在最高のTc
1911
1986
超伝導の歩み
日本人研究者の活躍
103
秋光純（青学大）
MgB2
Tc=39K
Room Temp.
102
MgB 2
Tc
(K)
NbN
NbC
101
山中昭司（広島大）
Tc=25Ｋ
LixHfNCl
HgBa 2Ca 2Cu 3O x
Tl 2Ba 2Ca 2Cu 3Ox
Bi 2Sr 2Ca 2Cu 3O x
YBa 2Cu 3O7
Pb
Nb
SmOFeAs
(La,Sr) 2CuO 4
(La,Ba) 2CuO 4
A 3C60
LaOFeAs
(Ba,K)BiO
3
Nb 3Sn Nb 3Ge
YPt 2B2C Li x-HfNCl
PbMo 6S8
V 3Si
LiTi 2O 4 Ba(Pb,Bi)O
3
(BEDT -TTF) 2Cu(NCS) 2
(BEDT -TTF) 2I2
LaOFeP
Hg
Rb xWO 3
10
SrTiO 3-x
0
1900
1920
1940 1960
YEAR
(TMTSF) 2PF 6
1980
2000
高田和典（NIMS）
NaxCoO2・yH2O Tc=6Ｋ
梶田徹也（東北大）
LixSr2CuO2Br2 Tc=8Ｋ
細野秀雄（東工大）
LaFeAsO1-xFx Tc=26Ｋ
超伝導の歩み
～Keywordは室温超伝導～
103
超伝導発見から100年
室温超伝導まであと一歩!?
Room Temp.
HgBa 2Ca 2Cu 3O x
Tl 2Ba 2Ca 2Cu 3Ox
Bi 2Sr 2Ca 2Cu 3O x
YBa 2Cu 3O7
102
Tc
(K)
NbN
NbC
101
Pb
Nb
発見できた
ら･･･
MgB 2 SmOFeAs
(La,Sr) 2CuO 4
(La,Ba) 2CuO 4
A 3C60
LaOFeAs
(Ba,K)BiO
3
Nb 3Sn Nb 3Ge
YPt 2B2C Li x-HfNCl
PbMo 6S8
V 3Si
LiTi 2O 4 Ba(Pb,Bi)O
3
(BEDT -TTF) 2Cu(NCS) 2
(BEDT -TTF) 2I2
LaOFeP
Hg
Rb xWO 3
10
SrTiO 3-x
0
1900
1920
1940 1960
YEAR
(TMTSF) 2PF 6
1980
2000
◆ 第３次産業革命！！
エネルギー問題 解決！
環境問題 解決！
◆ ノーベル賞ＧＥＴ!！
研究の課題
◆ 室温超伝導物質の発見
◆ 高温超伝導のメカニズム解明
超伝導関連のノーベル賞受賞者
年
受賞者
受賞理由
2003 A.A.アブリコソフ
V.L.ギンツブルク
超伝導の理論に関する
先駆的貢献
1987 J.G.ベドノルツ
K.A.ミュラー
酸化物高温超伝導体の
発見
1973 I.ジエーヴァー
超伝導体におけるトンネル効果
を測定
B.D.ジョセフソン
ジョゼフソン効果の理論的予測
1972 J.バーディーン
L.N.クーパー
J.R.シュリーファー
超伝導現象の理論的解明
(BCS理論)
1913 H.K.オンネス
低温物理学の開拓
（超伝導現象を発見）
インターカレーションによる新超伝導探索
Li+
母結晶
Li
e-
Li → Li+ + e－
電子キャリアドープ
cf. リチウム電池
加藤雅恒
室温超伝導物質
探索 (散策？) の
リーダーです
電気化学法
Potentiostat / Galvanostat
A
V
CE e－
e－
RE
WE
Li+
Li+
Li+
Li+
CｌO4
－
Electrolyte: 1M LiClO4 / PC
対向電極（CE） : Li-foil
x Li
作用電極（WE) :
試料 + Ni-mesh
Sr2CuO2X2 + x Li+ + xeペレット（7Φ,1mm）
参照電極（RE) : Li-foil
+2
x Li+ + x eLixSr2CuO2X2
電子ドープ
+2-x
x（Li) ： ICP 発光分析、電流量より決定
LixSr2CuO2X2 (X = Br, I) 新超伝導体の発見 !!
X－
Li+
Sr
Cu
O
X－
0.5V（一定）
H=3Oe
Li+
c a
a
K2NiF4型では初の 電子系銅酸化物超伝導体
Mgインターカレーション
eMg2+
a) Liに比べ2倍の電子キャリアドープ
b） イオン半径 小
Li+ ： 0.59Å（4配位） 0.76Å（6配位）
Mg2+ ： 0.57Å（4配位） 0.72Å（6配位）
Mg
e
母結晶
Li+-intercalation
E
Mg2+-intercalation
E
Li 2s
Mg 3s
c）イオン化エネルギー 小
d）扱いやすい、安価
EF
EF
不純物準位
さらなる
キャリアドープ
Li: 500円/g
Mg: 100円/g
N(E)
N(E)
MgxMNl (M=Hf, Zr)
Mg2＋
Mg2＋
Magnetic Susceptibility c (10-2 emu/g)
超伝導特性（MgxZrNCl）
0
-0.5
-1.0
-1.5
MgxZrNCl
x=0.01
x=0.80
x=0.50
x=0.05
x=0.30
x=0.16
H = 5 Oe
ZFC
-2.0 x=0.10
0
5
10
15
Temperature (K)
20
インターカレーションによる新超伝導探索
・Ｌｉインターカレーション超伝導体の発見
LixSr2CuO2Br2 (Tc=8K)
LixSr2CuO2I2 (Tc=4.5K)
・ Mgインターカレーション超伝導体の発見
MgxZrNCl
（Tc=15 K）
MgxHfNCl
（Tc=25 K）
初めてのMgインターカレーション超伝導体
Mgインターカレーション法：
新超伝導物質探索に有望!!
超低温の神秘・超伝導の不思議
１．超低温
２．超伝導の発見
３．超伝導の応用
４．超伝導のメカニズム
５．室温超伝導をめざした研究
室温超伝導体の発見
若いみなさんに期待します!!
液体窒素を使ってみよう
１．液体窒素に一瞬だけさわってみよう！
２．液体窒素に風船をつけるとどうなる？
３．バナナで木片にクギを打ってみよう！
本日のサイエンスカフェの実行部隊
工学部情報知能システム総合学科ナノサイエンスコース
（応用物理学専攻）低温・超伝導物理学分野のスタッフ
佐藤秀
孝
各種結
晶の作
製と物性
測定の
サポータ
ーです
野地尚
鉄系超伝導体の
高品質単結晶の
育成と物性研究の
リーダーです
足立匡
銅酸化物超
伝導体の物
性研究のリー
ダーです
川股隆行
スピン系の熱伝
導の研究のリー
ダーです
小池洋二
各種行事のリーダーです
鮎川晋也
水素化合
物で室温
超伝導を狙
っているホ
ープです
加藤雅恒
室温超伝導物質
探索 (散策？) の
リーダーです