目次 研究成果・トピックス ～SPring-8が拓く 室温超伝導の可能性～ 行事報告 高校生のためのサイエンス・サマーキャンプ 第2回SPring-8産業利用報告会 実施した行事 SPring-8 Flash 山本雅貴氏が日本結晶学会賞学術賞を受賞しました 菊田惺志参与が日本結晶学会賞西川賞を受賞しました 産業利用研究成果が日本金属学会論文賞を受賞 今後の行事予定

高温超伝導体La2-xSrxCuO4の結晶構造(a)と、 銅と酸素が作る面内での原子の動き(b)

研究成果・トピックス

SPring-8が拓く 室温超伝導の可能性

地球温暖化の救世主「超伝導」

　物質の中には温度を下げていくと、超伝導という性質があらわれるものがあります。超伝導状態になると、その物質を流れる電気の抵抗は完全にゼロになります。そのため、超伝導電線を用いれば、送電ロスのきわめて少ない電力ネットワークを地球上に張り巡らすことができます。また、超伝導チップ（素子）をつくれば、ほとんど電力を消費しない超高速コンピューターの実現も夢ではありません。
　エネルギー革命を起こし、地球温暖化の救世主になりそうな超伝導ですが、そのネックは超伝導になる温度が非常に低いことでした。
　1911年に水銀が4.2 K（－269.0 ℃）以下になると電気抵抗がゼロになることが発見されて以来、多数の金属や合金で超伝導現象が見つかりました。しかし、超伝導が起こる温度（転移温度）はいずれも低く、その利用には液体ヘリウムでの冷却が必要で、装置が大きく複雑になり、建設・運営費がかさみました。理論（BCS理論）からも転移温度が40 K（－233.2 ℃）を超える物質は存在しないとされていました。
　それが、1987年にセラミクスの1種であるペロブスカイト型銅酸化物で約40 Kで超伝導になるものがみつかり、現在は150 K（－123.2 ℃）のものまで発見されています。このような高い転移温度を持つ物質を高温超伝導体といい、その先には「室温で超伝導になる物質もあるのではないか」、と期待されています。しかし、高温超伝導が生じる仕組み（理論）が分からないので、何ともいえません。その謎を解く1つの鍵が、SPring-8の実験で昨年明らかになったのです。

原子の振動が超伝導に関係する

　実験を行ったのは水木純一郎・日本原子力研究開発機構　量子ビーム応用研究部門　放射光科学研究ユニット　ユニット長たちのグループ。ペロブスカイト型銅酸化物（ランタン・ストロンチウム・銅酸化物／ 図1 - a ）の結晶に、SPring-8の放射光を当てる実験です。その結果、結晶中の銅原子（Cu）と酸素原子（O）の結合の伸び縮み（図1-b）の変化と、転移温度の変化とが対応することが分かりました。つまり「原子の振動（格子振動）が超伝導に関係している」ことが明らかになったのです。
　高温超伝導の起こる仕組みについては、この18年間いろいろな説が唱えられてきましたが、実験的な証拠を挙げるに至ったものはありません。超伝導現象に格子振動が関与しているのでは、という実験はこれまでにもありましたが、水木ユニット長たちのグループが世界で初めて、格子振動の“異常”の大きさと超伝導転移温度が一対一に関係することを実験的に明らかにしたのです。その成功の要因を、「SPring-8ならではの放射光の特徴をいかし、試料の結晶にも工夫を凝らしたため」と水木ユニット長は分析しています。

図1. 高温超伝導体La_2-xSr_xCuO₄の結晶構造(a)と、銅と酸素が作る面内での原子の動き(b)

高温超伝導の謎解き作戦

　結晶づくりは、東北大学金属材料研究所山田和芳教授が担当しました（図2）。ランタン・ストロンチウム銅酸化物（La_2-xSr_xCuO₄）は、転移温度以下に冷却しても、ストロンチウムの濃度（x）が低い時は絶縁体で、濃度が高くなる（x＝0.04付近）と超伝導になります。濃度が上昇すると転移温度も高くなり、x＝0.15付近で最大になります。しかし、もっと濃度が高くなると（x＝0.3付近）、超伝導が消えて金属の性質を示します（図3）。
　山田教授は、棒状の画期的な単結晶をつくり出しました（図2）。この結晶では、棒の一方の端から他方の端へとストロンチウムの濃度が連続的に変化しているのです。
　「こういう結晶で実験すれば、転移温度の変化が、原子や電子のどんな変化によるものか、その因果関係が明確になる可能性が高くなります」と水木ユニット長。
　棒状結晶に当てるのは放射光の中でも、原子の間隔である0.1ナノメートル（1000万分の1ミリメートル）より短い波長のX線。今回の実験では、波長約0.08ナノメートル、エネルギーでいえば16キロ電子ボルト（keV）のX線を、フィルターを使って放射光から取り出しました。
　このＸ線のエネルギーを、結晶がわずかに吸収し、その吸収の様子から、結晶中の原子の振る舞い（格子振動）を導き出します（Ｘ線非弾性散乱法*）。今回注目したのは、銅と酸素がつくる面内の原子の振る舞い。どの高温超伝導体にもこの面が共通に存在し、この面内での酸素の動きが高温超伝導の仕組みに重要な役割を果たしていると考えられているからです。
　しかし、結晶が吸収するのは数十ミリ電子ボルト（ｍeV）と、照射するＸ線のエネルギーの100万分の1に過ぎません。吸収の値を正確に測定するためには、きわめて細く絞られ、かつ非常に強度の強いＸ線が必要です。このようなＸ線は、国内では、SPring-8でしかつくれません。そこで、SPring-8の高分解能非弾性散乱ビームラインBL35XUでの放射光を用いたX線非弾性散乱法で、結晶が吸収するX線のエネルギー解析が行われました。

図2. 実験に用いた、濃度勾配のある高温超伝導試料La_2-xSr_xCuO₄

実験データが描いた見事な相関

　さて、実験から、ストロンチウムの濃度が増加すると、ソフト化が大きくなることが示されました（図3,4）。ソフト化というのは、原子の結合の柔らかさのようなもので、ここでは銅と酸素の結合が、ストロンチウムの濃度が増加すると柔らかくなり、伸縮しやすくなるということを表わしています。
　結合の柔らかさは、ストロンチウムの濃度の増加に対応して一様に増すことが予想されていました（図3の緑の線）。しかし、実験データはそれ以上に柔らかくなることを示しています（図3の青色の線）。その様子（図3の青色線の形）が転移温度のストロンチウムの濃度依存性（図3の赤紫の線の形）と対応することから、銅と酸素の結合の柔らかさ（伸縮のモード：格子振動）が、超伝導の生じる仕組みと密接な関係にあることがわかったのです。

図3. ソフト化の大きさのSr濃度依存性と、超伝導転移温度（Tc ）との関係

図4. 格子振動の波数とエネルギーの関係Sr濃度の増加とともに、
ソフト化（エネルギーの低下）が大きくなっていることが分かる。
※波数ζ（×2π/α） α：格子定数

室温超伝導の実現に向けて

　「格子振動」という謎解きの鍵を手にした水木ユニット長たちが次に注目したのは、電子の振る舞い。すでにSPring-8を使っての実験が始まり、成果も出始めています。じつは、転移温度が低い従来の超伝導の仕組みを説明したBCS理論では、格子振動を介して電子が対をつくることが超伝導の源であることを明らかにしています。
　「高温超伝導体での電子はどうなっているのか、格子振動とどのような関係をもっているのか、を調べていけば、高温超伝導の謎も解けるでしょう」と水木ユニット長。
　仕組みが分かれば、転移温度の高い物質を探し出すのはもちろん、望ましい超伝導体の設計・製作もできるようになるでしょう。
　人類が「室温超伝導」を手にする日は案外近いのかも知れません。

取材・文：株式会社サイエンス・アンド・テクノロジー・コンテンツ

用語解説

●Ｘ線非弾性散乱法
Ｘ線を物質に入射すると、そのエネルギーの一部が物質内の電子の励起に使われ、残りのエネルギーが再びＸ線として放出されます。放出されたＸ線のエネルギーと方向を観測すれば、電子の運動の様子(エネルギー状態と運動量)がわかります。電子は原子核の周りに雲のように存在しており、原子核の運動に追従して電子は動くことができるので原子核の運動、すなわち格子振動の様子を知ることができます。
＜Ｘ線非弾性散乱について＞
格子振動を精密に観測するために、これまでは中性子ビームを使った非弾性散乱法が用いられてきました。本文で紹介した研究は、X線を使った高分解能X線非弾性散乱法によるものです。この実験手法は、SPring-8をはじめとする第三世代の放射光施設ではじめて可能となりました。中性子ビームやX線を使った非弾性散乱法には、以下のようにそれぞれ異なる特長があります。測定したい試料や知りたい情報によって両者の手法をうまく使い分けることができます。
　1.中性子非弾性散乱法を行うには１cm³程度の大きな結晶が必要です。X線非弾性散乱法では100μm角程度の非常に小さな試料でも測定が行えます。
　2.X線は物質中の電子によって強く散乱され、中性子は原子核によってより強く散乱されます。したがって、電子の運動を見たいときにはX線、原子核の運動を直接見たいときには中性子を使います。
　3.電子の振る舞いを観測する場合、X線は電子の電荷の運動の様子を、中性子は電子のスピンの運動の様子を調べることに適しています。

この記事は、日本原子力研究開発機構：水木純一郎、福田竜生、東北大学：池内和彦、山田和芳、(財)高輝度光科学研究センター：A. Q. R. Baron、筒井智嗣の研究グループの成果であり、その代表者の日本原子力研究開発機構量子ビーム応用研究部門放射光科学研究ユニットの水木ユニット長にインタビューをして構成しました。

行事報告

高校生のためのサイエンス・サマーキャンプ

　8月22～24日の3日間、高校生のためのサイエンス・サマーキャンプをSPring-8内および公園都市近隣施設で実施しました。このキャンプは（財）高輝度光科学研究センター、（財）ひょうご科学技術協会の主催により毎年実施しており、今回で通算8回目となります。兵庫県在住の理科系志望の高校生を対象としており、今年度の参加者は22名でした。
　3日間の短い間でしたが、メインイベントの体験実習の他にSPring-8や西はりま天文台の大型望遠鏡「なゆた」の見学、西はりま天文台で石田副台長の「宇宙の調べ方」、兵庫県立大学松井教授による「ナノの世界を観る」の２編の講演会、体験実習や施設見学を担当する研究者との交流会など盛りだくさんの内容が実施されました。体験実習は「光の粒子性と波動性」「CT法による立体構造の可視化」「極低温で起こる不思議な現象『超伝導』を見てみよう」「電子線と放射光を比較して」の中から選択し、まる１日かけて実験からまとめまでを行い、最終日に成果を発表しました。
　参加者は今まで知らなかった最先端の研究に触れたり、実習では予想と違う実験結果がでたりすることから「研究する」ことの難しさを体験することで「（将来）何について研究をしたいか、考えていなかったけれども、このキャンプに参加して、光についての研究をしようかなとも思うようになりました」など、将来のことを考えるきっかけとなったようです。また、実験結果に関してグループ内で夜遅くまで議論をかさね「他校生と交流出来たことは大きな収穫でもあったし、良い刺激にもなった」など、短いながらも大きなものを得た３日間となりました。

SPring-8施設見学	光の粒子性と波動性

第２回SPring-8産業利用報告会

　９月5、6日にJASRI、ひょうご科学技術協会（BL24XU）、産業用専用ビームライン建設利用共同体（サンビーム　BL16XU、BL16B2）が主催する第2回産業利用報告会がSPring-8の放射光普及棟で開催されました。産業利用報告会は、それまで別々に行われていたサンビーム成果報告会、兵庫県ビームライン報告会、及びトライアルユース（共用ビームラインをもちいた産業利用の拡大を目的とした利用制度）報告会を同時期に開催することによりSPring-8の産業分野での利用者間の技術交流、情報交換及び親睦を促進することを目的に昨年度はじめて開催されました。第2回となる本年の報告会は、5日12時30分にJASRIの吉良理事長、産業用専用ビームライン建設利用共同体石川運営委員長（東芝）、先端科学技術支援センター千川所長の挨拶で開会し、BL16XU、BL16B2の利用成果6件、共同利用ビームラインで行われたトライアルユース課題を中心に共用ビームラインでの利用報告７件の口頭発表が行われました。6日午前にはサンビーム22件、兵庫県ビームラインから6件、共用ビームラインから27件のポスター発表、午後は兵庫県ビームラインの９件の発表が行われました。口頭、ポスターの成果発表ばかりでなく、懇親会や今回はじめて行ったビームライン見学会にも多数の参加があり、のべ217名が参加した産業利用報告会は今年も盛会のうちに終わりました。

実施した行事

● 10月12～13日　SPring-8・PF研究会　ナノテクノロジー総合支援プロジェクトワークショップ「LEEM/PEEMを用いた表面研究の新しい展開」
　LEEMは低エネルギー電子顕微鏡、PEEMは光電子顕微鏡の略です。微小な領域を観察する電子顕微鏡の一種ですが、視野の広い観察、実時間観察などが可能で、特に放射光を用いた際には、原子の種類を区別した観察なども可能になります。SPring-8の特色を生かした研究になると期待されている分野で、このたび日本のもうひとつの大きな放射光施設である、つくばのPhoton Factoryと共同でこの研究会を開催しました。

SPring-8 Flash

山本雅貴氏が日本結晶学会賞学術賞を受賞しました
菊田惺志参与が日本結晶学会賞西川賞を受賞しました

　日本結晶学会学術賞は「50歳以下の結晶学会員で、結晶学に関する独創的な研究をした方」、また同西川賞は「長年に亘って結晶学に対する貢献が特に優れている方」に贈られる賞です。
　学術賞に輝いた山本氏（理化学研究所播磨研究所放射光科学研究センター研究技術開発室　室長、（財）高輝度光科学研究センター利用研究促進部門　副部門長）はSPring-8の始めのころからタンパク構造解析のための測定装置やビームラインの開発を行ってきました。最近建設された理研構造ゲノムビームライン（BL26B1/B2）では、試料を交換するためのロボットを作り、人間がついていなくても測定装置が自動的に測定を進めて行くシステムを作り上げています。これまで、タンパク構造解析測定では徹夜で試料の交換を行っていたのですが、山本さんが作った装置によって利用者は人間的な生活を送れるようになりそうです。これを一例とする装置開発によって、多くの利用者の構造解析に寄与したことが受賞理由です。
　菊田氏（（財）高輝度光科学研究センター参与）は、完全結晶でのX線回折の実験的研究により、現代X線光学の基礎を作った方々の内のお一人です。また、フォトンファクトリーをお作りになった高良和武先生の懐刀として、日本で最初のX線放射光施設である茨城県つくば市のフォトンファクトリー建設計画にご尽力されました。フォトンファクトリーで多数の先駆的なお仕事をなさった後、SPring-8建設計画時には国の利用者の先頭に立って計画推進にご尽力されました。X線光学研究と放射光に対するご尽力が日本の結晶学にもたらした恩恵は甚大だということが受賞理由です。

山本雅貴氏と試料交換ロボットシステム	菊田惺志参与

産業利用研究成果が日本金属学会論文賞を受賞

　溶融亜鉛めっき自動車用鋼板のFe-Zn合金化反応過程をＸ線回折によりリアルタイムで解明した内容の論文で、住友金属工業（株）と（財）高輝度光科学研究センターが日本金属学会論文賞（材料化学部門）を受賞しました。
　溶融亜鉛めっき自動車用鋼板はプレス加工等の加工性向上のため、加熱合金化処理を行います。この亜鉛-鉄合金相の制御がめっきの品質向上の最重要課題であります。本研究では、この加熱処理中の合金相の生成過程を、Ｘ線回折によりリアルタイムで観察しました。特に、10秒程度の瞬時に起こる基材とめっき界面の合金相生成初期過程を1秒以下の時間分解で捉え、合金相形成過程のめっき組成や加熱プロセス依存性を明らかにしました。この成果は、SPring-8の産業利用ビームライン（BL19B2）の強力な高エネルギーX線の利用で、めっき相下部の界面を直接、短時間で観察できたことによります。本研究は住友金属工業（株）総合技術研究所の研究グループ（実験責任者：谷山明氏）と（財）高輝度光科学研究センター産業利用推進室（佐藤真直氏）が密接に協力して行われました。また、予備実験に日本原子力研究所（当時）の協力を受けています。

今後の行事予定

● 11月17～18日第9回SPring-8シンポジウム
　SPring-8施設側と利用者側が一堂に会し、施設や研究の現状についての発表を通して相互の理解を深めるとともに、SPring-8における研究活動の更なる発展と共同利用の円滑化、実験ステーションの建設・高度化などを目指し議論を行います。