ハワイアンドリームデモ

メインコンテンツにスキップ グローバルメニューにスキップ | フッターにスキップ メニューボタン 対象者別 ">入学希望の方">卒業生の方">地域・一般の方">企業・メディアの方">在学生">教職員 探す アクセス Language JP EN TOPニュース・イベント【研究発表】熱膨張係数を自在に制御可能とする超伝導体を開発 ～超伝導素子や超伝導材料の応用に有利な新材料の開発につながる指針～https://www.tmu.ac.jp/news/topics/35378.html 2023.01.27 【研究発表】熱膨張係数を自在に制御可能とする超伝導体を開発 ～超伝導素子や超伝導材料の応用に有利な新材料の開発につながる指針～ 報道発表 １.概要 　東京都立大学 理学部物理学科の渡邊雄翔（学部生）、同大学大学院 理学研究科物理学専攻の水口佳一准教授、島根大学 総合理工学部 物理・マテリアル工学科の臼井秀知助教らの研究グループは、特定の結晶軸方向に負の熱膨張を示すコバルトジルコナイド超伝導体CoZr2にNiを部分置換することで、負の熱膨張から、ゼロ熱膨張、さらに正の熱膨張へと連続的に変化することを発見しました。また、結晶構造の一軸圧縮（格子コラプス）が熱膨張係数や超伝導特性と強く相関していることがわかり、類似の結晶構造を持った遷移金属ジルコナイドにおける異常熱膨張の発現に重要な指針が見出されました。それぞれの結晶軸方向の熱膨張係数を最適化することで、体積熱膨張がゼロの超伝導体を開発できれば、超伝導素子や超伝導材料の応用に有利な新材料の開発につながることが期待されます。　本成果は、2023年１月18日付で、Springer Natureが発行する英語論文誌『Scientific Reports』（オンライン雑誌）に掲載されました。本研究は、科学研究費補助金（21H00151, 21K18834）、東京都高度研究（H31-1）、東京都立大学 若手研究者等選抜型研究支援・研究環の助成を受けて行いました。   ２.ポイント 遷移金属ジルコナイド超伝導体における一軸的な負の熱膨張を発見した。 CoZr2のCoサイトをNiで部分置換することで、線熱膨張係数を自在に制御することに成功した。 体積熱膨張がゼロの超伝導体開発に向けた物質設計指針を見出した。   ３.研究の背景 　超伝導[1]は低温で発現する量子現象の一つで、特定の物質を超伝導転移温度（Tc）[2]以下に冷却すると電気抵抗が完全に消失します。この現象を利用した超伝導電磁石は超伝導リニアやＭＲＩに使用されています。また、超伝導素子を用いた量子コンピュータも開発されており、超伝導素子や超伝導磁石、それらを構成する超伝導材料のさらなる特性向上が望まれています。特に、超伝導体を使用する際には極低温に素子や材料を冷却する必要があるため、数百ケルビン[3]の温度変化を繰り返しても素子や材料の特性が劣化しないことが望ましく、その解決策の一つが熱膨張[4]をしない超伝導体を開発することです。　東京都立大学大学院 理学研究科物理学専攻の水口佳一准教授らは、2022年に遷移金属ジルコナイド超伝導体CoZr2が極低温から高温までの広い温度域で一軸的な負の熱膨張を示すことを見出しました（Y. Mizuguchi et al., J. Phys. Soc. Jpn. 91, 103601 (2022).）。図１に示すCoZr2系の結晶構造（正方晶系CuAl2型構造）において、CoZr2ではa軸方向は正の熱膨張を示しますが、c軸方向に負の熱膨張が観測されます。正方晶系の単位格子体積は、V = a × a × c で表されるため、さらに大きな一軸的な負の熱膨張をc軸方向に生じさせることができれば、体積熱膨張がゼロの超伝導体の開発につながります。その目標を達成するために、本研究ではCoZr2系における負の熱膨張発現の起源の解明と、元素置換による熱膨張係数制御方法の開発を目的に研究を行いました。   図１．研究対象としたCoZr2系の結晶構造図。CoZr2の場合は、図中のc軸方向に負の熱膨張が生じ、Ni置換によって正の熱膨張へと連続的に変化する。   ４.研究の詳細 　本研究では、CoZr2のCoサイト（図１中のCo原子）を部分的にNiで置換したCo1-xNixZr2（xはNi置換量）多結晶試料をアーク溶解法で合成しました。磁化率測定から超伝導特性を評価したところ、図２に示すように x = 0 ~ 0.6で大きな超伝導シグナル（バルク超伝導[5]）が観測されました。一方、 x > 0.6の試料においては微弱な超伝導シグナルのみが観測され、バルク超伝導が消失しフィラメンタリー超伝導のみが生じていることがわかりました。X線回折装置を用いて様々な温度における格子定数（a軸およびc軸）[6]を評価したところ、図３に示すようにNi置換量増加に伴い、負の熱膨張からゼロ熱膨張、さらには正の熱膨張に変化することがわかりました。CoZr2の線熱膨張係数（αc）が約-20 μK-1であり、NiZr2のαcが約+18 μK-1であるため、同一の結晶構造タイプにおける単純な元素置換で、αcを約38 μK-1も変化させられたことになり、通常の熱膨張制御と比べて非常に大きな変化といえます。　また、正方晶構造における一軸圧縮の効果を検証するため、図４に示すような格子定数比（c/a）のNi置換量依存性を評価しました。興味深いことに、x ~ 0.6の領域でc/aが大きく変化することがわかりました。この現象は、正方晶構造を維持しつつ格子が一軸方向につぶれる格子コラプス現象と捉えられ、様々な超伝導体の発現機構と密接に関わっていることがわかっています。本研究でも、コラプス正方晶領域でバルク超伝導が消失しているため、超伝導発現と一軸圧縮が相関している可能性が高いです。実際に、電子状態を理論計算したところ、多量のNi置換は超伝導発現に不利には働かない結果が得られており、異常な格子圧縮が超伝導消失の原因と結論付けました。さらに、コラプス正方晶領域でαcが正になるため、格子コラプスがc軸の熱膨張特性とも相関していることがわかります。以上の結果から、遷移金属ジルコナイド（CoZr2系）において、c軸方向の格子コラプスを避けた元素置換を行い、c/a比を大きくすることができれば、バルク超伝導発現と、より大きな負の熱膨張の発現が期待できます。   図２．Co1-xNixZr2の超伝導転移温度のx依存性。   図３．Co1-xNixZr2のc軸線熱膨張係数（αc）のx依存性。   図４．Co1-xNixZr2の格子定数比c/aのx依存性。   ５.研究の意義と波及効果 　遷移金属ジルコナイド超伝導体（CoZr2）において、格子定数比（c/a）を大きくし格子コラプスを避けることで、バルク超伝導と大きな負の熱膨張（c軸）が同時に発現することがわかりました。　本成果は、今後の新物質開発の指針となるもので、さらなる物質開発により体積ゼロ熱膨張を示す超伝導体の開発につながります。遷移金属ジルコナイドは超伝導体であると同時に、Tc以上では金属であるため、本物質系が示す異常な熱膨張は金属系材料への応用にも期待できます。   【用語解説】 [1] 超伝導　特定の金属を低温に冷却するとある温度（超伝導転移温度）以下で電気抵抗が消失します。これを超伝導転移と呼び、超伝導転移を示す物質を超伝導体と呼びます。[2] 超伝導転移温度（Tc）　超伝導体は温度の上昇によって、超伝導状態から金属状態に転移します。その温度のことを超伝導転移温度と呼びます。[3] ケルビン（K）　温度の単位であり、0℃は約273 Kです。[4] 熱膨張　物質の温度が変化した際に膨張したり収縮したりする現象。多くの物質は温度の上昇とともに膨張し、正の熱膨張と呼ばれます。逆に、温度の上昇とともに収縮する現象を負の熱膨張と呼びます。また、直線的な熱膨張を線熱膨張と呼びます。本研究ではc軸方向の線熱膨張を、線熱膨張係数αcを用いて評価した。αcは300 Kのc0を用いて、αc = (1/c0)(dc/dT)で計算しました。[5] バルク超伝導　物質が均一な超伝導状態にあり、例えば磁化率測定で大きな反磁性シグナルが観測される状態を呼びます。バルク超伝導に対し、不純物の存在や結晶中の歪みなどの影響でバルク性が失われた状態をフィラメンタリー超伝導と呼び、微弱な反磁性シグナルが検出されます。[6] 格子定数　結晶中の最小ユニットを単位格子と呼び、単位格子を構成するそれぞれの軸長を格子定数と呼びます。正方晶系の場合、単位格子は直方体であり、長さの異なるa軸とc軸からなります。正方晶構造の一軸的な圧縮の程度を評価する指標として、格子定数比c/aが用いられます。   【論文情報】 掲載誌：Scientific Reports 論文タイトル：Sign change in c-axis thermal expansion constant and lattice collapse by Ni substitution in transition-metal zirconide superconductor Co1−xNixZr2 著者：Yuto Watanabe, Hiroto Arima, Hidetomo Usui & Yoshikazu Mizuguchi DOI：https://doi.org/10.1038/s41598-023-28291-y   6.問合せ先 ＜研究に関すること＞東京都立大学大学院 理学研究科 物理学専攻 准教授 水口 佳一TEL：042-677-2517　E-mail: &＃x6d;i&＃x7a;&＃x75;&＃103;&＃x75;&＃x40;&＃x74;&＃109;u.&＃x61;&＃x63;&＃x2e;&＃106;&＃x70; 島根大学 総合理工学部 物理・マテリアル工学科 助教 臼井 秀知TEL：0852-32-6401　E-mail：&＃x68;&＃105;&＃x64;e&＃x74;&＃x6f;&＃109;&＃x6f;&＃46;&＃x75;&＃x73;&＃x75;i&＃x40;&＃114;&＃x69;&＃x6b;&＃x6f;&＃x2e;&＃x73;&＃104;i&＃x6d;&＃x61;&＃x6e;e&＃45;u.a&＃99;&＃x2e;j&＃x70; ＜大学に関すること＞東京都公立大学法人東京都立大学管理部 企画広報課 広報係TEL：042-677-1806　E-mail: &＃x69;&＃x6e;&＃x66;&＃111;&＃64;&＃106;&＃x6d;&＃106;&＃46;&＃x74;&＃109;&＃x75;.&＃x61;&＃99;&＃x2e;&＃x6a;&＃112; 島根大学 企画部 企画広報課 広報グループTEL：0852-32-6603　E-mail：&＃103;&＃97;d&＃x2d;&＃x6b;&＃111;ho&＃x40;o&＃x66;f&＃105;&＃x63;&＃101;.s&＃x68;&＃105;&＃x6d;a&＃x6e;&＃x65;&＃x2d;&＃117;&＃x2e;&＃97;&＃x63;&＃46;&＃x6a;&＃112;   報道発表資料(1.1MB) ーーーーーーー 理学研究科 物理学専攻 水口 佳一 准教授元のページに戻る 最新のニュース 2024.05.29 お知らせ 【重要】2024年度前期　一般学生　授業料減免申請 追加申請受付について 2024.05.24 お知らせ 【研究発表】一度の激しい運動がその後の身体活動量と体温を下げ体重を増やしてしまう 2024.05.17 お知らせ 【研究発表】溶液と固体の状態で円偏光を発光するキラルな亜鉛錯体の開発に成功－溶液と個体とで円偏光の回転方向が反転　新たな発光デバイスへの応用に期待－ 2024.05.16 お知らせ 【研究発表】過去77年間の小笠原諸島の植生変化を解明 －過去の人為的攪乱の履歴が、生態系の復元可能性に影響－ 2024.05.13 お知らせ 【研究発表】電気を流し、室温強磁性を示す希土類酸化物を発見－スピントロニクス材料としての応用に期待－ Page top 大学について学部・大学院教育の特長研究・産学公連携国際展開・留学学生生活・キャリア入試案内キャンパス・施設案内ニュース・イベントHOT TOPICS教員紹介 入学希望の方卒業生の方地域・一般の方企業・メディアの方在学生教職員 お問い合わせ関連リンクサイトマップサイトポリシープライバシーポリシーソーシャルメディアポリシーWEBマガジンメトロノワ調達・契約情報 ©2024 Tokyo Metropolitan Public University Corporation Follow Us都立大X都立大Channel Open/Close大学についてOpen/Close大学の目的・使命学長メッセージ学長メッセージ ＜メディア＞TMU Vision 2030Open/Close大学概要沿革組織図センター・機構学生数教職員数学則・規則施設概要設置認可申請書等東京都立大学の評価活動について数字で見る東京都立大学動画で見る東京都立大学シンボルマーク大学の校歌Open/Close教育情報の公表大学の教育研究上の目的・３ポリシー教育の3つのポリシー（学部）教育の3つのポリシー（大学院）教育研究上の基本組織アセスメント・ポリシー大学院（専門職大学院を除く）の学位論文審査基準授業に関すること成績評価基準、卒業・修了認定基準等メディア掲載Open/Close学部・大学院人文社会学部法学部経済経営学部理学部都市環境学部システムデザイン学部健康福祉学部Open/Close大学院 研究科・専攻一覧人文科学研究科法学政治学研究科経営学研究科理学研究科都市環境科学研究科システムデザイン研究科人間健康科学研究科大学院分野横断プログラム再編前の学部・大学院Open/Close教育の特長Open/Close革新的なカリキュラム基礎科目群教養科目群基盤科目群キャリア教育・インターンシッププログラム文理の枠を超えた履修推奨科目副専攻グローバル教育教職課程・学芸員養成課程文理教養プログラム学びのスタイル副専攻教職課程・学芸員養成課程教育基盤強化事業Open/Close教育改革推進事業首都大学東京 教育改革推進事業 FD活動都立大の教学IR ~Institutional Research~ベスト・ティーチング・アワードOpen/Close研究・産学公連携Open/Close研究センター、リサーチコア宇宙理学研究センター生命情報研究センター水道システム研究センター子ども・若者貧困研究センターソーシャルビッグデータ研究センター金融工学研究センター水素エネルギー社会構築推進研究センター医工連携研究センター量子物質理工学研究センターエネルギーインテグリティーシステム研究センター島嶼火山・都市災害研究センターコミュニティ･セントリック･システム研究センター言語の脳遺伝学リサーチコアサービスロボットインキュベーションハブリサーチコア（略称：serBOTinQ)高度研究東京都立大学 若手研究者等選抜型研究支援特別栄誉教授等制度・特別招聘教授制度共同研究・受託研究・学術相談・特定研究寄附金知的財産大学等発ベンチャー支援産学公連携スペース TMU Innovation Hub研究力強化推進プロジェクトローカル5G環境を活用した最先端研究都立大の先端研究に迫る傾斜的研究費一覧Open/Closeコンプライアンス・内部統制研究費の不正使用防止に対する取組（相談窓口・通報窓口の案内はこちら）研究活動の不正行為等防止に対する取組（通報窓口の案内はこちら）研究倫理利益相反マネージメント安全保障輸出管理Open/Close国際展開・留学多彩な留学制度／留学プログラムグローバル人材育成についてGlobal Discussion Camp（GDC）国連アカデミック・インパクト外国人留学生支援Open/Close国際交流協定協定校一覧（全学）(250KB)協定校一覧（部局間）(346KB)国際化基本方針国際化推進体制理学部生命科学科　英語課程 英語で学位が取得できるプログラムPickup！都立大の国際化 「東京都立大学ならではの体験ができる交換留学制度――異文化を肌で感じた記憶はその後の人生を変える」By 朝日新聞Thinkキャンパス広告記事Open/Close学生生活・キャリアOpen/Close学修サポート学生の修学支援主体的学修支援セミナーTA（ティーチングアシスタント）等Open/Close学生サポート学生相談室保健室ダイバーシティ推進室ボランティアセンター保険の加入学生課Open/Close施設の利用図書館連絡バス美術館の無料入場等学生寮などOpen/Closeキャンパスライフ学生広報チームpresents動画クラブ＆サークルFIND YOURSELF AT TMU(2.2MB)都立大生の1日VLOG！理系・文系の学生比べてみたBy朝日新聞YouTubeチャンネル【土佐兄弟の大学ドコイク】Open/Closeキャリア・就職キャリア支援・各種サポートキャリア支援課大学院進学Pickup！キャリア支援 「1年次から履修可能な現場体験型のキャリア授業で、未来の自分を考える」By 朝日新聞Thinkキャンパス広告記事学費・減免制度・奨学金制度等Open/Close入試案内Open/Close学部入試アドミッション・ポリシー学部入試概要【2024年5月24日更新】外部英語検定試験の利用について（2025年度以降一般選抜）インターネット出願入学者選抜要項・学生募集要項入試Q&A一般選抜の入試結果【2024年5月27日更新】(133KB)多様な選抜の入試結果【2024年4月26日更新】(146KB)募集人員【2023年7月7日更新】(313KB)オープンキャンパス・説明会資料請求・お問い合わせ入学考査料・入学料・授業料Open/Close学部入試制度改正2024年度2025年度2026年度Open/Close大学院入試大学院のシステムアドミッションポリシー大学院入試概要大学院学生募集要項大学院進学後の進路状況入学考査料・入学料・授業料資料請求・お問い合わせ大学案内・大学院案内Open/Closeキャンパス・施設案内キャンパスマップCampus Gallery図書館光の塔牧野標本館交通アクセスエコキャンパス・グリーンキャンパス電力使用状況イベントカレンダー教員紹介 入学希望の方卒業生の方地域・一般の方企業・メディアの方在学生 お問い合わせ関連リンクサイトマップサイトポリシープライバシーポリシーソーシャルメディアポリシーWEBマガジンメトロノワ調達・契約情報 JP EN Follow Us都立大X都立大Channel