La3Ni2O7における不均一な超伝導の起源を明らかにする

なぜ微小な超伝導の島が重要なのか

超伝導体—電気を抵抗ゼロで運ぶ材料—は、超効率の送電線、強力な磁石、より高速な電子機器を実現する可能性を秘めています。銅ではなくニッケルを基礎とする新しいクラスの材料は、最近、非常に高い温度で動作するという点で研究者を驚かせましたが、ダイヤモンドアンビルによって非常に高い圧力で押しつけた場合に限られます。本稿は、一見単純だが大きな意味を持つ疑問を投げかけます：これらのニッケル系結晶が「超伝導化」したとき、結晶全体が参加するのか、それともごく小さな領域だけが参加するのか？そして、超伝導が現れたり消えたりする場所を正確に制御しているのは何か？

極圧下で隠れた電流を可視化する

これに答えるために、著者らはLa3Ni2O7という化合物を研究します。これは層状ニッケル酸化物で、大気圧の10万倍を超える圧力に圧縮されると、液体窒素の沸点を上回る温度で超伝導を示します。このような極端な条件下では、詳細なイメージングは通常不可能です。ここでチームは、圧力セル自体を顕微鏡に変えます。具体的には、ダイヤモンドアンビルの表面近傍に窒素空孔中心として知られる原子スケールの特別な欠陥を薄いセンシング層として埋め込みます。これらの量子センサーは局所的な磁場や内部応力に応じて発光が変わるため、試料を圧縮しながら磁気と圧力の両方をサブマイクロメートルの解像度でワイドフィールド撮像することが可能になります。

実空間でパッチ状の超伝導をマッピングする

材料が超伝導になると、内部から磁場を排除する—これがマイスナー効果として知られる特徴です。La3Ni2O7を冷却し、弱い磁場を印加してダイヤモンド表面の量子センサーを読み取ることで、著者らは試料上方の磁場の詳細なマップを再構築します。磁場が抑えられている領域は超伝導パッチを示し、磁場が強まっている領域は磁力線が押しのけられたり集中したりしている場所を示します。これらのマップは、La3Ni2O7の超伝導が均一とはほど遠いことを明らかにします：結晶全体が一度に超伝導化するのではなく、不規則でマイクロメートルサイズのポケットだけが超伝導になり、その形状や位置は圧力や温度の変化とともに変わります。さらに、磁場中で冷却するとサンプル内に閉じ込められた磁束が局所領域に固定され、超伝導応答が最も強い場所と一致することも観察されます。

押す力とすべり応力が助けたり妨げたりする仕組み

同じ量子欠陥は機械的ひずみにも敏感であるため、研究者らは試料がどのように押されているかを同時に再構築できます。彼らは、結晶をまっすぐに押し下げる通常応力（正応力）と、層を互いに滑らせようとするせん断応力を区別します。ピクセルごとに磁気挙動をこれら二つの応力成分と相関させることで、超伝導は平均より高い正応力を受けているスポットで最初に現れることが示され、これがバルク測定で観測される発現圧力が一定範囲にわたって現れる理由を説明します。より意外な発見として、せん断応力が概ね2ギガパスカルを超えると、正圧縮が有利な場合でも超伝導は強く抑制されるか完全に消失することが分かりました。これにより、温度、直圧（押し下げる圧力）、および横方向のせん断が、微視的な任意の領域が超伝導かどうかを共同で決定する精緻な三次元相図が提示されます。

化学組成の縞と超伝導ポケット

次にチームは化学組成を意図的に均一でないサンプルに注目します。ある結晶では、電子線分析（EDS）で測定するとランタンとニッケルの比が幅広い縞状に変化しています。試料全体としては、通常なら超伝導を示す電気抵抗の明確な低下は見られません。それでも量子磁気イメージングは、低温で反磁性を示す小さく鋭いポケットを明らかにします。磁気マップと化学マップを重ね合わせると、これらのポケットは局所組成が理想的な3:2のランタン対ニッケル比に最も近い場所に正確に位置していることがわかります。ニッケル過剰やランタン過剰の領域は全く超伝導を示しません。言い換えれば、材料は全体の抵抗を支配するにはまばらすぎる超伝導の島を内包することがあり、これらは局所的な磁気イメージでは明確に可視化されます。

欠陥を地図作成の手がかりに変える

総じて、これらの実験は、加圧されたLa3Ni2O7における高温超伝導が脆弱であり、微視的環境に非常に敏感であることを示しています。圧力、せん断、化学量論の局所的なばらつきが結晶を超伝導領域と非超伝導領域のパッチワークに刻み、バルク測定でしばしば弱いまたは「フィラメント状」の信号が観測される理由を説明します。著者らはこの不均一性を欠点ではなく特徴として扱い、単一結晶を用いて応力と組成のさまざまな組み合わせが超伝導を促進するか破壊するかを地図化しました。非専門家に向けた主要なメッセージは、より良いニッケレート超伝導体を作るには単に平均的な圧力や化学組成を最適化するだけでなく、超電流がどこでどれだけ安定して流れるかを決める微小な機械的・化学的変動を精密に制御する必要がある、ということです。

引用: Mandyam, S.V., Wang, E., Wang, Z. et al. Uncovering origins of heterogeneous superconductivity in La₃Ni₂O₇. Nature 651, 54–60 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-10095-x

キーワード: ニッケレート超伝導体, 高圧物理学, 量子センシング, ひずみエンジニアリング, La3Ni2O7