圧縮ひずみを受けた二層ニケレート薄膜における圧力による超伝導性の向上

なぜこれらの物質を圧縮することが重要なのか

超伝導体は抵抗ゼロで電流を流す材料であり、非常に効率的な送電、より高速な電子機器、強力な磁石といった応用が期待されます。しかし既知の多くの超伝導体は極低温でしか機能せず、日常技術での利用は難しい。ニッケルを基盤とする新しいクラスの材料、二層ニケレートは、近年、高圧下で液体窒素の沸点を上回る温度での超伝導を示しました。本研究は単純だが重要な問いを投げかけます：超薄膜ニケレートに対して、基板による選ばれたひずみと外部圧力を組み合わせることで、さらに優れた超伝導が得られるか？

原子の繊細なサンドイッチを作る

研究者らは結晶基板上に、密接に関連した二層のニケレート薄膜という「サンドイッチ」を作製しました。片方の層はランタン、プラセオジム、ニッケルを含み、もう一方の層には少量のストロンチウムが添加されています。この構造は下地のSrLaAlO₄基板から面内圧縮ひずみを自然と受け、薄膜が水平方向にやや押し潰され、垂直方向に引き伸ばされます。Ｘ線測定により、薄膜の格子は面内で約2%圧縮され、垂直方向に約1.5%伸長しており、数ユニットセル厚の安定した二層構造を形成していることが確認されました。輸送測定では、常圧ではこれらの薄膜は金属的で、超伝導遷移の始まり（オンセット）温度が概ね21〜34ケルビンの範囲で観測され、空気中で1か月放置しても著しく安定であることが示されました。

性能を高めるために圧力ダイヤルを回す

圧力が超伝導性をどのように調整するかを調べるため、チームは2種類の高圧セルを用いて薄膜に圧力を加え、最大13ギガパスカル（大気圧の10万倍以上）に達しました。約2.6 GPaまでの比較的低圧域では、常伝導状態（非超伝導状態）の電気抵抗が低下し、超伝導のオンセット温度は約29 Kから約35 Kへと着実に上昇しました。

良い金属から弱い絶縁体へ

圧力は超伝導遷移直上での薄膜の振る舞いも変化させました。低圧では薄膜は金属的で、抵抗は温度とともに滑らかに増加していました。ところが約9 GPaを超えると、低温の常伝導状態が弱い絶縁的な振る舞いを示し始め、温度が下がるにつれて抵抗がゆっくりと増加する、対数的な傾向が現れました。この金属から弱い絶縁へのクロスオーバーは、超伝導温度が最大に達して以降低下に転じるほぼ同じ圧力で起こりました。著者らは、この異常な絶縁傾向は高圧下のひずみた二層薄膜に内在する性質であり、密度波様の秩序などの出現する電子的不安定性に関連している可能性が高く、圧力媒体による欠陥や損傷だけに起因するものではないと主張しています。

内部で起きていることを理論がどう説明するか

これらの変化の微視的起源を理解するため、チームは基板によって面内格子が固定された薄膜に特化した高度な電子構造計算を行いました。このモデルで圧力を加えると、主に二つのニッケル—酸素層間の距離が短くなり、バルク結晶で見られるような面内結合角の変化とは異なる挙動が支配的になります。垂直方向の間隔が縮むにつれて、強い面外軌道性を持つ平坦なエネルギーバンド（いわゆるγポケット）がフェルミレベルに近づき帯域幅を得る一方で、電子が異なるニッケル軌道間を移動します。これにより面内・面外軌道のハイブリダイゼーションが強まり、全体の金属性が増し、各層内および二層間での磁気スピンゆらぎが強化されます。これらの協調的効果は、非従来型超伝導体における電子対結合の“接着剤”として知られており、圧力に伴って超伝導温度が上昇し、やがてこれらの変化が飽和することで温度上昇が止まる理由を自然に説明します。

今後の示唆

簡潔に言えば、本研究は既にひずみを受けた二層ニケレート薄膜に圧力を加えることで、超伝導にとってより有利な幾何学を実現できることを示しています：二つの活性層が互いに近づき、電子の混合が強まり、磁気ゆらぎが電子を損失なく電流を運ぶ対に結びつける効率が高まります。その結果、超伝導のオンセット温度は約30 Kからほぼ50 Kへと大幅に向上し、圧力下で電子構造がどのように進化するかについての明確な手がかりが得られました。これらの知見は、ひずみと圧力の両方を精密に制御するか、あるいは化学的設計でそれらの効果を模倣することにより、ニケレート超伝導体をさらに高い作動温度へ押し上げ、実用化に近づける可能性を示唆しています。

引用: Li, Q., Sun, J., Bötzel, S. et al. Enhanced superconductivity in the compressively strained bilayer nickelate thin films by pressure. Nat Commun 17, 3276 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69660-1

キーワード: ニケレート超伝導体, 薄膜, 高圧, ひずみエンジニアリング, 電子相関