研究ハイライト

金属材料研究所研究部門の研究

放射線金属化学研究部門の研究

プルトニウム化合物の単結晶育成と新規超伝導メカニズムを解明
芳賀芳範(A)、酒井宏典(A)、青木大B、松田達磨(A)、神戸振作(A)、徳永陽(A)、
中島邦久(C)、荒井康夫(C)、本間佳哉(B)、塩川佳伸(B,A)、山本悦嗣(A)、
中村彰夫(A)、R.E.Walstedt(A)、安岡弘志(A)、大貫惇睦(D,A)

(A)日本原子力研究所先端基礎研究センター
(B)東北大学金属材料研究所
(C)日本原子力研究所エネルギーシステム研究部
(D)大阪大学大学院理学研究科

プルトニウム化合物PuRhGa5の単結晶育成に初めて成功し、磁化、核四重極共鳴(NQR)スペクトルを測定することで、磁気を媒介とした新しいタイプの超伝導が実現していることを明らかにした。

 これまでに知られている超伝導は、金属中のマイナスの電荷を持つ2個の伝導電子が、プラスの電荷を持つ結晶格子を介して結合することによって生じる。超伝導を通常の状態(常伝導)に戻すのに必要なエネルギーを超伝導ギャップと呼ぶが、これは超伝導特性を表す重要な量である。 一方、従来より、プルトニウム化合物でも8.6Kという比較的高い転移温度で超伝導が生じることは知られていたが、プルトニウムのように磁気を持つ物質では、このようなメカニズムによる超伝導は実現せ ず、別のメカニズムによるものと予想されていた。

 今回、プルトニウム化合物超伝導体PuRhGa5の超伝導発生メカニズムの解明を中心とした物性研究のために、この物質の単結晶を育成したが、日本でプル トニウム化合物の単結晶育成、及びこれを用いた物性研究を行なったのはこれが初めてである。ま ず、8.6 K以下の超伝導状態で、ガリウム核の四重極共鳴スペクトルの観測に成功した。これを利用して超伝導ギャップの状態を調べたところ、ギャップが一様ではな く、部分的に閉じていることを見いだした。さらに、超伝導が壊れる臨界磁場が結晶の向きによって大きく異なることを明らかにした。これらの結果は、プルト ニウム化合物 PuRhGa5 の超伝導が磁気媒介型であることを示している。

今回の成果は2つの点で注目される。(1)電子物性研究の対象をプルトニウム化合物にまで拡げたこと、(2)これまでに知られている超伝導と異なり、PuRhGa5の超伝導が、その発生メカニズムに磁気が関与している新しいタイプのものであることを見いだしたことである。
プルトニウム化合物という超ウラン化合物の超伝導発生メカニズムを明らかにしたことは、超伝導という現象が金属の性質として普遍的な現象の一つであるこ と、超伝導発生メカニズムが非常に多様であることを実証するものであり、その意義は大きい。プルトニウム化合物の高い超伝導転移温度は、発見当初から注目 されていた。今回、その発生メカニズムが磁気媒介型であることを明らかにしたことにより、実用化に最も近いと言われている銅酸化物高温超伝導体のメカニズ ム解明にも大きく寄与するものと期待されている。また、核燃料物質として知られている超ウラン元素の電子物性の研究をさらに進めることにより、未知の物理現象の発見およびその解明を通じて固体物理学という現代社会を支える基礎科学の発展にもつながる。

なお、この研究成果は、日本物理学会誌(英文誌)6月号に速報として掲載された。またこの論文は、同誌の注目論文に選ばれた。科学新聞の一面(6月10 日)、日刊工業新聞(6月17日)、NHK水戸デジタル放送、NHK水戸FMでも報道された。

※補足説明
  • PuRhGa5とは
  • PuRhGa5の超伝導の基本的な性質
  • 超伝導ギャップの異方性
  • PuRhGa5の超伝導メカニズム

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