ダイヤモンドは宝石の王様として、人々を魅了してきました。ダイヤモンドが特別なのは、美しさだけではありません。誰もがご存じのことですが、ダイヤモンドは最も硬い物質です。絶縁体ですが、最も熱伝導の良い物質の一つでもあります。一般に、熱伝導の良い物質は、電気も良く通します。それは、自由電子が熱を運ぶからです。では、絶縁体であるダイヤモンドは、何が熱を運ぶのでしょうか？ 実は、ダイヤモンドには、大変高い周波数の格子振動があり、これが熱を運びます。一方、超伝導は低温で電気抵抗がゼロになる現象ですが、基本的には、格子振動とキャリアの相関によって起こると考えられています。そこで、私達は、何らかの方法でダイヤモンドが良導体になるまでキャリアを導入できれば、超伝導が出現するものと考えました。
約20年前に、メタンやエタノールなどのガスからダイヤモンドを合成する、気相成長法が開発されました。試料作製時にホウ素を含むガスをわずかに混ぜると、半導体ダイヤモンドが得られ、次世代デバイスの開発が期待されています。さて、大量にホウ素を導入するとどうなるのでしょうか？ 私達は、気相成長法により、高濃度にホウ素を導入したダイヤモンド薄膜を作製しました。図１に、電子顕微鏡写真を示します。三角形をしたダイヤモンドの結晶が見られます。これは、〈111〉方向に成長したもので、サイコロを角の方向から見たことに相当します。図２に、電気抵抗を低温まで測定したものを示します。ダイヤモンドは良導体となって電気を良く通すようになりました。そして、絶対温度7.4K付近でゼロ抵抗状態になり、超伝導が発現することが解りました。これより低温では、電気抵抗が消失し、電流を流しても全く発熱しません。高圧合成による試料より、３倍以上、超伝導転移温度が上昇しました。
将来、この特徴を生かし、発熱が少なく環境に優しい新規デバイスの開発が期待されます。なお、この研究は早稲田大学の川原田洋教授らとの共同研究で行われています。 |
