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黑料网の畑野 敬史 准教授、東京農工大学の秦 東益 博士後期課程学生、内藤 方夫 シニアプロフェッサー、山本 明保 准教授、日本大学の飯田 和昌 教授、九州大学の郭 子萌 博士研究員(当時)、高 紅叶 博士研究員、斉藤 光 准教授、嶋田 雄介 准教授、波多 聰 教授との共同研究で、鉄系高温超伝导体のうち、最も実用化が期待されている物质である(叠补,碍)贵别₂As₂で、粒界においても高い超伝导性能を有することを明らかにしました。
高い超伝导転移温度^注6）を示す銅酸化物高温超伝导体^注7）および鉄系高温超伝导体は、粒界において隣接する結晶同士のずれ角度が大きくなると、程度の差はあるものの粒界をまたいで流れる超伝导電流が強く抑制されてしまう「粒界弱結合」という問題があるため、多結晶形態での産業応用は難しいとされています。今回、(Ba,K)Fe₂As₂の単一人工粒界を世界に先駆けて作製し、粒界弱結合の影響を調べたところ、結晶のずれ角度が24°まで到達しても、超伝导電流の減衰が他の高温超伝导体^注8）と比べて缓やかであることが分かりました。本成果は、多結晶でも高い性能を発揮できる高温超伝导体材料の創製へと展開しうるものであり、医療用MRIや交通インフラなどで重要な役割を果たす高性能超伝导磁石の高性能化?低コスト化につながる成果です。
本研究成果は、2024年8月23日付ネイチャー?パブリッシング?グループの学術誌「NPG Asia Materials」に掲載されました。

【ポイント】

?鉄系高温超伝导体^注1） (Ba,K)Fe₂As₂^注2）の人工の粒界^注3）を世界に先駆けて作製した。
?他の鉄系高温超伝导体に比べて、(Ba,K)Fe₂As₂の粒界をまたいで流れる超伝导電流^注4）（粒界电流）が一桁大きいことが分かった。
?外部磁場を印加しても、粒界電流が指数関数的に減衰を始める粒界角が、他の鉄系超伝导体と異なり、大きく変化しないことが分かった。
?このような良好な特性を示す理由として、粒界部位において小さな粒界角が积み重なった独特な粒界面を形成していることが考えられる。
?(Ba,K)Fe₂As₂が、低コストで作製可能な多结晶^注5）形態での応用に適した高性能超伝导材料であることを証明した。

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【用语説明】

注1）鉄系高温超伝导体：
2008年に細野らにより発見された鉄を含む超伝导体物質群で、超伝导転移温度は最高で55 K（摂氏マイナス218℃）に達する。
注2） (Ba,K)Fe₂As₂：
鉄系高温超伝导体のひとつで、AeFe₂As₂ (Aeはアルカリ土类金属で颁补,厂谤,叠补)が基になる。Ae, Fe, Asサイトに元素置換することで超伝导を示す。その中でも比較的高い超伝导転移温度と合成のしやすさを両立しているのは、BaサイトをKで部分置換した本系である。その最高転移温度は約38 K(摂氏マイナス235℃)に達する。
注3）粒界：
多结晶体の内部に存在する、结晶粒と结晶粒の境界のこと。
注4）超伝导電流：
超伝导体は電気抵抗ゼロで電流を流すことができる材料であり、ゼロ抵抗で流れる電流を超伝导電流という。
注5）多结晶：
结晶方位が、试料全体にわたってきれいに揃っているものを単结晶という。これに対し、多结晶とは小さな単结晶がランダムな方位で凝集した材料形态を指す。一般に、単结晶形态は作製が难しく、高コストである场合が多いため、产业応用を考虑すると多结晶形态でも十分な性能を発挥できる材料が望まれる。
注6）超伝导転移温度：
常伝導相から超伝导相へ相転移する超伝导が発現する温度。
注7）銅酸化物高温超伝导体：
1986年にベドノルツとミュラーにより発見された銅を含む超伝导体物質群で、超伝导転移温度は常圧下において最高で134 K（摂氏マイナス139℃）に達する。
注8）高温超伝导体：
超伝导体の多くは超伝导転移温度が低く、常圧においては極低温まで冷却しなければ超伝导にならない。しかし、銅酸化物および鉄系超伝导体では、30 Kを超えるような高い温度でも超伝导化するものがいくつも知られている。これらを総称して高温超伝导体という。

【论文情报】

雑誌名： NPG Asia Materials
論文タイトル： High tolerance of the superconducting current to large grain boundary angles in potassium-doped BaFe₂As₂
着者：Takafumi Hatano*, Dongyi Qin, Kazumasa Iida, Hongye Gao, Zimeng Guo, Hikaru Saito, Satoshi Hata, Yusuke Shimada, Michio Naito, Akiyasu Yamamoto　　（*責任著者）
DOI: 10.1038/s41427-024-00561-9
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【研究代表者】