大型放射光施設 SPring-8

公開日

2003年09月15日

平成15年9月15日
大阪市立大学
慶應義塾大学
名古屋大学
広島大学
科学技術振興事業団
（財）高輝度光科学研究センター

　1992年に、谷垣教授らの研究グループは、炭素系ナノ多面体クラスター超伝導体（用語１）であるＣ₆₀物質（用語２）の超伝導機構を同位体効果に基づいて解明する実験に成功している（Nature 355, 620-621 (1992)に掲載済み）が、1990年代の同時期に発見されたシリコン(Si)多面体超伝導体（用語３）に関しては、高純度のSi同位体が得られず、超伝導機構を解明するために重要な同位体効果の実験をすることが困難であった。
今回、大阪市立大学・谷垣勝己教授グループ、慶應義塾大学・伊藤公平助教授グループ、名古屋大学・守友浩助教授グループ、広島大学・山中昭司教授グループは、Siのナノクラスターから構成される超伝導物質について、構成原子のSi（原子量28）を質量数が異なる同位体 Si（原子量30）に置き換えて、全く同じ原子配列をもつ物質の合成に世界で初めて成功し、超伝導転移温度（用語４）が、Siの原子量を変えることによって変化することを確認した。
ナノクラスターとSi半導体同位体工学を融合して得られた新しい同位体物質の構造を精密に決定するために、大型放射光施設(SPring-8)における世界最高の輝度のX線を用いて構造解析を行った。この結果、全ての原子量28のSi原子が原子量30の同位体Si原子に置き換えられたことが確認された。合成された物質を用いて確認された超伝導同位体効果（用語５）の実験結果を詳細に解釈することにより、Siナノクラスター超伝導体は、フォノン（用語６）を介在とするBCS理論（用語７）に従う超伝導体であることが明らかになった。1992年の¹³Ｃならびに今回の³⁰ Siを用いた超伝導同位体効果の実験により、20世紀に発見された２種類のナノクラスター超伝導体の機構は、BCS理論で説明できることが明確にされたと言える。
　これまでは、同位体Si原子をSiの塊から高純度に分離精製することは非常に難しく、今回のような研究は困難と考えられていた。しかし、半導体材料の同位体工学の進展により高純度の同位体の分離生成が可能となり、純粋なSi同位体だけによる同一物質の合成の成功に結びついた。今回の成果は、単に、Siクラスターやフラーレン分子を構成単位とする物質の超伝導の機構を明らかにするだけでなく、これらの物質をベースとする高い超伝導転移温度を持つ、新材料のデザインへの指針を与える。また、Si半導体デバイス中に、同じ構造であるが、原子量で色分けされ、異なる性質を持つクラスター物質をナノスケールで配置することは、量子コンピュータ（用語８）を全てSi半導体を用いて作り出すための道を開くものとも言える。
　純粋に分離された同位体元素（用語９）から合成されるナノクラスター物質は、図１に示す種々の同位体クラスタネットワークから構成され、下記の特徴を有する。

図１．同位体元素で作られるナノクラスター固体

図２．シリコン同位体30Siおよび28Siを利用したナノクラスター物質。青（28Si）のネットワーク構造の部分が緑（30Si）で同位体置換されている。

図３．同位体シリコンナノクラスター固体で作製される電子デバイス素子

<用語解説>

用語１　炭素系ナノ多面体クラスター超伝導体
　多面体をもとにした幾何学的な構造物質。フラーレンやナノチューブがその代表的な物質である。

用語２　Ｃ₆₀物質
　1985年、R.E.Smally、H.W.Kroto、R.F.Curlらによって発見された、炭素原子が60個集まってできたサッカーボールの形をした物質。発見者は1996年のノーベル化学賞を受賞した。

用語３　シリコン(Si)多面体超伝導体
　シリコン元素からなる正十二面体クラスターから構成されるネットワーク物質で超伝導となる物質がある。

用語４　超伝導転移温度
　多くの金属は、低温で常伝導状態から超伝導状態に転移する。この転移する温度を超伝導転移温度という。

用語５　超伝導同位体効果
　超伝導物質の元素の幾つかをその元素の同位体に置き換えた場合に、超伝導転移温度が受ける影響。

用語６　フォノン
　格子振動などが量子化された状態。

用語７　BCS理論
　超伝導は、フォノンを介在とした超伝導対電子の形成により生じる理論で、Bardeen-Cooper-Schrieferにより提唱されたことからBCS理論とよばれる。

用語８　量子コンピュータ
　現在のようなデジタル量としてのビットの計算ではなくて、一つの量子状態を一量子ビット（qbit）とみなす演算方式を基礎とするコンピュータ。

用語９　同位体元素
同じ元素であるが、中性子の数の違いにより質量の異なる種類の元素。

用語10　同位体半導体元素
　周期律表でIV族の半導体元素（C, Si, Ge）で、同じ元素であるが質量数が異なる元素。

用語11　Si半導体同位体工学
　Siの同位体である²⁸Si、²⁹Si、³⁰Siなどを物性測定や電子デバイスに利用する分野。