配位数エンジニアリングによる超伝導性正20面体型水素化物の探索

将来技術にとってなぜ重要か

超伝導体――電気を抵抗ゼロで運ぶ材料――は、送配電網、医療用スキャナ、さらには将来のコンピュータを変革し得ます。しかし、既知の多くの超伝導体は極低温か非常に高い圧力下でしか働きません。本研究は、水素と金属からなる超伝導材料を設計する新しい巧妙な手法を探り、動作温度を上げ、必要な圧力を下げることを目指します。重元素を取り囲む水素原子の数を慎重に配置することで、著者らは新しい化合物に超伝導性を「設計」する方法を示します。

分子レゴのように超伝導候補を構築する

研究者たちは水素に富む水素化物という材料群に注目します。水素は軽く振動しやすいため、電子とこれらの振動が相互作用すると超伝導が起こりやすくなります。何千もの組み合わせを無作為に試す代わりに、チームは既知の化合物BaReH9から出発します。そこではレニウム（Re）が九つの水素原子に囲まれた明確なクラスターを形成しています。次に系統的に問いかけます：レニウムの周りにさらに多くの水素を押し込み、原子間の結びつきを変えるとどうなるか？この設計原理――配位数と呼ばれる隣接原子の数を調整すること――は、超伝導挙動の構造的なダイヤルとして機能します。

強力な効果をもたらす12個の水素からなるケージの発見

極めて高圧下での高度な計算機シミュレーションを用いて、著者らはバリウム（Ba）、レニウム、そして水素の組み合わせの安定性を描き出します。Ba2ReH8や、最も重要な化合物であるBaReH12を含むいくつかの有望な化合物を同定しました。BaReH12では大気圧の約1000万倍（100 GPa）程度の圧力で、各レニウム原子がほぼ完全な正20面体（イコサヘドラル）ケージを成す12個の水素原子に包まれます。この高対称性構造は[ReH12]2−として表される特別な単位を形成し、超伝導のビルディングブロックとして振る舞います。計算では、この化合物は約128ケルビンで超伝導になる可能性が示されており、絶対零度から室温への距離の半分以上に相当する温度で、化学的にシンプルな系としては著しく高い値です。

余分な電子と緩やかな水素結合が寄与する仕組み

幾何学的構造に加えて、各水素−金属単位内の電子数が重要であることが分かりました。電子数が奇数の単位は金属的になりやすく、電子が自由に動ける状態――超伝導に不可欠な条件――を満たします。BaReH12はそのような奇数電子の単位を持ち、伝導性を助けます。同時に、隣接するケージ間の水素原子は非常に強い結合を形成しておらず、相互作用するのに十分なつながりはあるが電子状態を硬直させるほどではありません。この組み合わせ――奇数電子数、高い対称性、比較的弱い水素−水素結合――が電子と原子振動との強い結合を生み出し、これがこれらの水素化物における従来型超伝導の基盤となります。

圧力が増しすぎるとどうなるか

さらに圧力を上げると、整然とした12個の水素ケージは歪み始めます。BaReH12の高圧相では、四つの水素原子が隣接するレニウム中心間で共有され、配位数が14に上がり対称性が低下します。この構造変化は電子と振動の相互作用を弱め、超伝導転移温度を約40ケルビンに下げます。同様に、別の化合物Ba2ReH8は異なる水素シェルと余分なバリウム原子により水素ケージ同士の距離が広がります。これも超伝導を示しますが、約19ケルビン程度に留まります。これらの比較は、超伝導性が原子配列の微妙な変化にいかに敏感であるかを際立たせます。

より良い超伝導体を設計するための単純なルール

総じて本研究は、高温水素化物超伝導体を発見するための明確なレシピを提案します。奇数電子を持つ水素−金属単位を出発点とし、電子を供与して構造を安定化するバリウムのような正に帯電した原子でそれらを取り囲み、ケージ間の水素結合が緩やかな高対称性のケージを目指すこと。これらの水素ケージを調整可能なビルディングブロックとして扱うことで、研究者は実用温度かつより低い圧力で超伝導する可能性のある材料を探索する強力なツールを手に入れます。損失のない電力伝送から小型化された磁石に至る応用が現実に近づくことを期待させます。

引用: Song, H., Du, M., Zhang, Z. et al. Search for superconducting icosahedral hydrides via coordination number engineering. Commun Phys 9, 59 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02494-x

キーワード: 超伝導性水素化物, 高圧材料, 水素含有化合物, 配位数エンジニアリング, BaReH12