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黒鉛を超伝導にするカリウム原子の並ぶ様子を可視化

電子のホログラムで3D原子配列を決定し、謎解明

国立大学法人 奈良先端科学技術大学院大学
国立大学法人 岡山大学
公益財団法人 高輝度光科学研究センター
国立大学法人 大阪大学
国立研究開発法人 物質・材料研究機構

奈良先端科学技術大学院大学は、高輝度光科学研究センターと独自の2次元表示型電子分析器を大型放射光施設SPring-8に設置し、光電子ホログラムから正確な原子配列を直接可視化する方法を開発、この手法を用いて、黒鉛の蜂の巣格子間に挟まれているカリウム原子周辺の原子配列の再生に成功しました。
さらに物質・材料研究機構と大阪大学は、黒鉛層間化合物に適した理論計算手法とソフトウェアを開発し、光電子ホログラムから得た原子配列モデルに基づき、理論計算でこの超伝導化合物のより精緻な原子構造を決定しました。

概要

鉛筆の芯の材料でもある黒鉛の層間に、ある種の不純物原子を挿入(黒鉛層間化合物)して冷却すると、電気抵抗がゼロ(超伝導状態)になることが知られています。また、黒鉛にカリウムとカルシウムの組み合わせなど複数種の元素を不純物原子として添加することで超伝導状態になる温度(転移点)が様々に制御できることを岡山大学(学長 : 森田潔)の久保園芳博(くぼぞのよしひろ)教授らが見出しています。しかし、これまでこうした不純物原子がどのような原子配列を取っているかは謎でした。

今回、奈良先端科学技術大学院大学(学長 : 小笠原直毅)の松井文彦(まついふみひこ)准教授と大門寛(だいもんひろし)教授は高輝度光科学研究センター(理事長 : 土肥義治)の松下智裕(まつしたともひろ)主席研究員らとX線を照射したときに試料から飛び出す電子の角度分布(光電子ホログラム)がいっぺんに測定できる独自の2次元表示型電子分析器を大型放射光施設SPring-8ビームラインBL25SUに設置し、光電子ホログラムから正確な原子配列を直接可視化する方法 (光電子ホログラフィー法) を開発、この手法を用いて、黒鉛の蜂の巣格子間に挟まれているカリウム原子周辺の原子配列の再生に成功しました。
 
さらに物質・材料研究機構(理事長 : 橋本和仁)の濱田幾太郎(はまだいくたろう)主任研究員と大阪大学(総長 : 西尾章治郎)の森川良忠(もりかわよしただ)教授・濵本雄治(はまもとゆうじ)助教は黒鉛層間化合物に適した理論計算手法とソフトウェアを開発し、光電子ホログラムから得た原子配列モデルに基づき、理論計算でこの超伝導化合物のより精緻な原子構造を決定しました。その結果、カリウム原子が挿入された表面第1層の黒鉛層間距離は 0.537nm (1 nmは十億分の一メートル)と求まりました。
 
超伝導を引き起こす原因となる不純物原子の局所構造を明らかにした本成果は、ありふれた黒鉛が超伝導という興味深い性質を示す仕組みを理解し、新たな超伝導材料を探索する上で重要な知見となります。また本手法は物性の基礎研究や新規材料の開発における幅広い応用の手掛かりとなります。
 
本研究は、英国Nature Publishing Groupのオンライン科学雑誌『Scientific Reports』に英国時間11月4日 (金) 10時付けで掲載されます。

「プレスリリースの図:   (上) グローブボックスの不活性ガス雰囲気下で試料を取り付ける様子。冷却し超伝導状態になる温度を確認した。 (右上) 黒鉛層間化合物の光電子ホログラム (右下) カリウムが挿入された黒鉛の原子配列像。」の画像

プレスリリースの図: (上) グローブボックスの不活性ガス雰囲気下で試料を取り付ける様子。冷却し超伝導状態になる温度を確認した。 (右上) 黒鉛層間化合物の光電子ホログラム (右下) カリウムが挿入された黒鉛の原子配列像。




お問い合わせ先

本研究内容に関するお問い合わせ先
奈良先端科学技術大学院大学 物質創成科学研究科 准教授 松井文彦
TEL: 0743-72-6017
E-Mail: matui=ms.naist.jp
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岡山大学 異分野基礎科学研究所 教授 久保園芳博
TEL: 086-251-7850
E-Mail: kubozono=cc.okayama-u.ac.jp
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高輝度光科学研究センター 主席研究員 松下智裕
TEL: 0791-58-1042
E-Mail: matusita=spring8.or.jp
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大阪大学大学院工学研究科精密科学・応用物理学専攻 教授 森川良忠
TEL: 06-6879-7288
E-Mail: morikawa=prec.eng.osaka-u.ac.jp
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物質・材料研究機構 主任研究員 濱田幾太郎
TEL: 029-860-4798
E-Mail: HAMADA.Ikutaro=nims.go.jp
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本プレスリリースに関するお問い合わせ先
奈良先端科学技術大学院大学 広報渉外係 小西健
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経営企画部門 広報室
〒305-0047 茨城県つくば市千現1-2-1
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FAX: 029-859-2017
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