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配位高分子で実現する新奇な超伝導状態を発見

東京大学大学院新領域創成科学研究科の竹中崇了大学院生(研究当時、現在NTT物性科学基礎研究所)、石原滉大大学院生、水上雄太助教、橋本顕一郎准教授、芝内孝禎教授、渡邉峻一郎准教授、竹谷純一教授、同物性研究所の山下穣准教授、上床美也教授らは、東北大学金属材料研究所の佐々木孝彦教授、中国科学院と共同で、二次元カゴメ格子をもつ配位高分子(注1)において、新奇な超伝導状態を発見しました。

ナノメートルサイズの細孔をもつ配位高分子材料は、金属有機構造体(Metal organic framework: MOF)と呼ばれ、エネルギー貯蔵や触媒材料としての応用が期待されています。これまでMOF材料は、化学分野においては精力的に研究されてきましたが、電気を流さない絶縁体であるため、電子物性の研究はほとんど行われてきませんでした。ところが近年、[Cu3(C6S6)]n(以降、Cu-BHT)という配位高分子(図1)が結晶性を高めることで超伝導状態が発現することが発見されました。本研究では、超伝導発現機構の解明を目的に超伝導特性などを詳細に調べました。その結果、Cu-BHTは銅酸化物高温超伝導体や鉄系高温超伝導体と同様に電子間に強いクーロン斥力が働く非従来型超伝導(注2)を示すことが明らかとなりました。今後、MOF材料がもつデザイン性の高さを有効活用することで、固体物理学の分野において、MOF材料による新規な電子物性の探索が加速することが期待されます。

本研究成果は2021年3月17日付けの米国科学誌 Science Advances にオンライン掲載されました。

新領域創成科学研究科発表のプレスリリース

fig1
図1:(左上)c軸方向から見たCu-BHTの結晶構造。銅Cu(青色)と硫黄S(黄色)と炭素C(赤色)が二次元シートを構成しており、銅イオンは歪みのない完全なカゴメ格子(緑色の実線)を形成している。炭素と硫黄からなる有機配位子であるべンゼンヘキサチオール(BHT)は銅原子と高密度に結合しており、高い伝導性を獲得している。
(左下)面間方向の結晶構造。二次元シートが面間方向に積層していることが分かる。(右)操作型透過電子顕微鏡(STEM)によるCu-BHTの原子像。右上の挿入図は白枠部分(中央下)の拡大図を示している。

発表雑誌:

用語解説:

(注1)配位高分子
金属イオンと有機配位子からなる連続体構造をもつ金属錯体を配位高分子と呼ぶ。特にナノメートルサイズの細孔をもつ配位高分子を金属有機構造体(Metal organic framework: MOF)と呼び、エネルギー貯蔵や触媒材料としての応用が期待されている。
(注2)非従来型超伝導
一般的な超伝導体は、バーディーン、クーパー、シュリーファーの3人によって1957年に発表されたBCS理論によって説明される。BCS理論では、電子と格子振動の間の相互作用によって2つの電子の間に引力が働き、超伝導電子ペアを形成することによって超伝導状態が実現する。一方、1986年に発見された銅酸化物高温超伝導体や2008年に発見された鉄系高温超伝導体などの強相関電子系と呼ばれる物質群では、反強磁性秩序近傍で超伝導が発現することが多く、磁気的な揺らぎを介して超伝導電子ペアが形成されることから、非従来型超伝導体と呼ばれる。
(公開日: 2021年03月18日)