Why is Superconductivity absent in bulk Infinite-layer Nickelates?

何十年もの間、物理学者たちはある種のエレクトリック・マジックを追い求めてきた。それは、電気抵抗が完全にゼロの状態で物質中を電気が流れるという能力である。超伝導として知られるこの現象は、通常、絶対零度に近いほど極低温まで材料を冷却することを必要とする。しかし、銅を含む銅酸化物と呼ばれる材料の一族は、このルールを打ち破り、より高温で扱いやすい温度で超伝導体となった。この発見は、高温超伝導の背後にある秘密のメカニズムを解明することを期待して、同様の現象を実現できる他の材料の一族を見つけ出すという数十年にわたる探索に火をつけた。有望な候補の一つが、構造的に銅ベースの銅酸化物に酷似した、ニッケルを含むニッケル酸化物という形で現れた。科学者たちがこれらのニッケル酸化物の薄膜を作成し、特定の元素をドープしたところ、超伝導の観測に成功した。しかし、奇妙な矛盾が生じた。他のチームが、薄膜ではなく、これらと全く同じ材料を大きなバルク（塊）状で作ろうとすると、超伝導性が完全に消失してしまったのである。

この謎を受け、研究チームはなぜバルク試料は失敗し、薄膜は成功したのかを調査することになった。彼らは、その違いは、一部で推測されていたような基板や薄膜が接する界面によるものではなく、むしろバルク合成プロセスに固有の微細な欠陥によるものであると提案した。磁気モデリングとコンピュータ・シミュレーションを組み合わせることで、研究チームは、バルク試料の中に、主成分となる材料と共に純粋なニッケル金属の微小な島（クラスター）が形成されていることを発見した。純粋なニッケルは磁性を持つため、これらの小さな島は、試料の中に散在するミニチュアの磁石のように振る舞う。研究者たちは、これらのクラスターが発生させる磁場は、超伝導に必要な繊細な状態を乱すのに十分な強さであり、超伝導が始まる前にそれを事実上死滅させてしまうことを算出した。

この調査は、薄膜が成長する表面の役割に関する長年の論争に対処することから始まった。一部の科学者は、薄膜における超伝導は界面現象、つまり材料が基板に接している場所でのみ起こる現象であると示唆していた。しかし、著者らは、磁場の排除を測定する実験によって、基板は超伝導のメカニズムに直接関与していないことが確認されたと指摘している。代わりに、焦点は材料自体の内部品質へと移った。バルクのニッケル酸化物試料は、特定の領域でニッケル原子が不足していることが以前から報告されており、その欠落したニッケル原子は単に消滅するのではなく、互いに集まって明確なクラスターを形成し、主成分の結晶粒の間に閉じ込められていることが判明している。

これらのクラスターの影響を理解するために、研究者たちは、ニッケルが磁性金属であることから、これらを小さな強磁性体として扱った。彼らはこれらのクラスターのサイズを半径約1マイクロメートルと推定し、それらが生成する磁場を計算した。磁場の挙動を記述するために2つの異なる物理モデルを用いた結果、クラスターから10マイクロメートルの距離にあっても、磁場は依然として強く、ミリテスラ単位の値に達することが分かった。これは、これらの材料における超伝導が崩壊する閾値が、報告されている通りわずか0.79ミリテスラと極めて低いことから、極めて重要な発見である。ニッケルクラスターによって生成される磁場は、この限界値よりも数桁大きく、もしこれらのクラスターが存在すれば、超伝導にとって敵対的な磁気環境を作り出し、材料がその状態に入ることを阻止してしまう。

並行した調査の中で、チームはコンピュータ・シミュレーションを用いて、ニッケル原子の欠如が材料の電子構造にどのように影響するかを検証した。彼らはニッケルの不足度合いが異なるモデルを用いて、欠損した原子が、超伝導が発生するエネルギーレベルにおける特定の電子軌道（Ni 3dx2−y2軌道として知られるもの）の重要性を低下させることを発見した。この軌道は、これらの材料における超伝導挙動に不可欠であると考えられている。ニッケル欠乏領域の存在によってこの軌道の寄与が減少すると、材料は現象の発生に必要な主要な要素を失ってしまう。これは、たとえ磁気クラスターが取り除かれたとしても、バルク試料における化学的な不完全さが超伝導状態の形成を妨げるであろうことを示唆している。

著者らは、無限層ニッケル酸化物における超伝導の欠如は、これら2つの要因の組み合わせによるものである可能性が高いと結論づけている。ニッケル欠乏領域は、超伝導に不利な方向に電子的な景観を変化させ、一方で、クラスターへと集まったニッケル原子は、超伝導状態を完全に破壊するほど強い磁場を発生させる。これらの不完全性は、バルク試料の合成に使用される現在の化学的手法に特有の結果であると考えられる。研究者たちは、もし将来の合成法によってこれらのニッケルクラスターを排除し、ニッケル欠乏を修正することができれば、バルクのニッケル酸化物試料でも超伝導を観測できる可能性があり、それによって、厚い試料が沈黙を守り続ける一方で薄膜が歌い続けるという謎がついに解決されるかもしれないと示唆している。