鳥取大学学術研究院工学部門の榊原寛史助教、小谷岳生教授らの研究グループは、大阪大学大学院理学研究科の黒木和彦教授らの研究グループとの共同研究により、近年発見された新超伝導体・層状ニッケル酸化物(Nd,Sr)NiO₂の超伝導発現機構を第一原理バンド計算と呼ばれる手法に基づいたシミュレーションにより解明しました（図）。

銅酸化物超伝導体は大気圧下では全物質中最も高い温度で超伝導状態に転移する物質グループであり、高温での超伝導発現は銅酸化物特有の電子の状態に起因すると考えられています。そのため、銅酸化物超伝導体と似た電子状態を持つ物質が新たに発見された場合、高温で超伝導状態へ転移するかどうかには長らく興味が持たれてきました。ごく最近、銅酸化物超伝導体と似た電子状態が実現すると期待されていた(Nd,Sr)NiO₂というニッケル酸化物が超伝導転移することが報告されましたが、その超伝導転移温度は銅酸化物よりもかなり低い事が分かりました[D. Li et al., Nature 572, 624(2019)]。

そこで本研究では、(Nd,Sr)NiO₂の電子状態を第一原理バンド計算と呼ばれる手法によって理論計算しました。その結果、銅酸化物超伝導体では電子の間に働く相互作用の強さが超伝導発現にとってほぼ理想的な大きさであるのに対し、(Nd,Sr)NiO₂では相互作用が強すぎて超伝導状態への転移が抑制されていることがわかりました。この研究成果はニッケル酸化物超伝導体という新しい物質グループの基礎的な理解を与えただけでなく、高温超伝導現象の一般的性質を理解する上でも重要な情報を与えています。また、用いた計算手法は結晶構造データ以外を必要としないため、(Nd,Sr)NiO₂に限らない数多くの候補物質についても適用することが出来ます。それゆえ、新しい超伝導物質の理論設計のヒントになる可能性もあります。

本研究成果は上記の榊原助教、小谷教授、黒木教授の他に、島根大学大学院自然科学研究科の臼井秀知助教、大阪大学大学院工学研究科の鈴木雄大特任助教（常勤）、産業技術総合研究所の青木秀夫東京大学名誉教授との共同研究です。また、研究遂行に際し日本学術振興会科学研究費助成事業（17K05499,18H01860）の支援を受けました。発表論文は2020年8月13日にアメリカ物理学会が発行する「Physical Review Letters」（インパクトファクター＝8.385）に掲載され、Editors’ Suggestionに選定されました。

図：本研究の概念図。
左側がニッケル酸化物(Nd,Sr)NiO₂のフェルミ面。中央の筒状の大きい面と四つ角の小さい面が有る。
右側がクーパー対の「構造」を示す図で、赤線はフェルミ面の断面を示している。

Related links

〈共同リリース機関HP〉