高温超伝導体

銅酸化物セラミックスにおける液体窒素の沸点を超える超伝導の発見は、従来の予想を覆し、BCS理論では説明できない非従来型のペアリング機構を明らかにしました。

Definition

高温超伝導体とは、主に銅酸化物（キュプレート）セラミックスであり、従来の限界をはるかに超える温度で超伝導を示す材料です。これらは反強磁性モット絶縁体のドーピングによって発現し、d波ペアリングを示し、単純なフォノン機構ではなく電子的な機構によって駆動されると考えられていますが、その機構は未解明です。

Scope

このトピックでは、銅酸化物および関連する高温超伝導体について扱います。具体的には、それらの層状銅酸化物構造、反強磁性モット絶縁体である母物質、擬ギャップと超伝導ドームを含むドーピングによる相図、d波ペアリング対称性、およびペアリング機構に関する未解決の中心的な問題を取り上げます。また、鉄系超伝導体や高圧水素化物についても触れます。これらの非従来型超伝導体と、関連トピックにおける従来のBCS理論の描像との対比も行います。

Core questions

• 銅酸化物超伝導体を従来の金属と区別する構造的および電子的特徴は何ですか？
• 反強磁性モット絶縁体のドーピングから超伝導状態はどのようにして出現するのですか？
• 擬ギャップとは何ですか、そして相図は銅酸化物をどのように整理しますか？
• 従来のBCS理論が高温超伝導を説明できないのはなぜですか？

Key concepts

• 銅酸化物層
• ドーピングされた反強磁性モット絶縁体母物質
• 相図、擬ギャップ、超伝導ドーム
• d波ペアリング対称性
• 鉄系および水素化物超伝導体

Clinical relevance

高温超伝導体は安価な液体窒素冷却で動作可能であり、送電ケーブル、故障電流リミッター、高磁場磁石などへの応用が期待されます。また、その機構の理解は、強相関電子系の理論の中心をなす、物理学における最も深遠な未解決問題の一つでもあります。

History

1986年、ベドノルツとミュラーはランタン銅酸化物において約35 Kで超伝導を発見し、翌年ノーベル賞を受賞しました。1987年には、液体窒素温度を超える93 Kの転移温度を持つYBa2Cu3O7が発見され、現在まで続く研究の爆発的増加を引き起こしました。

Debates

銅酸化物のペアリング機構

発見から数十年が経過しても、高温超伝導体における電子を結合させる機構についてはコンセンサスが得られていません。スピン揺らぎ、共鳴価数結合、その他の強相関電子シナリオが競合しており、擬ギャップの役割も依然として議論の的となっています。

Key figures

• Johannes Georg Bednorz
• Karl Alexander Müller
• Philip Warren Anderson

Seminal works

• bednorz1986
• wu1987

Frequently asked questions

なぜ高温超伝導は非従来型と考えられているのですか？

銅酸化物は、BCSフォノンペアリングが許容すると考えられていた温度をはるかに超えて超伝導を示し、良導体ではなく絶縁性の磁性母物質から出現し、s波ではなくd波ペアリングを持つため、その機構は従来の格子振動によるものではなく、電子的なものであると考えられています。

高温超伝導の機構は解明されましたか？

いいえ。多大な努力にもかかわらず、銅酸化物のペアリング機構は未解決のままです。これは凝縮系物理学における最も重要な未解決問題の一つとして広く認識されています。