Synthesis of Y$_3$Fe$_4$H$_{20}$ as a new prototype structure for ternary superhydrides recoverable at ambient pressure

物質の固形の世界において、水素は変装の名手である。私たちが日々暮らしている圧力の下では、水素は予測可能な方法で結合する。ある時は単純なガスとして、ある時は金属の中に固く閉じ込められ、あるいはエネルギーを蓄える複雑な構造を形成する。何十年もの間、科学者たちは、もし水素を十分に強く押しつぶすことができれば（巨大惑星の内部に見られるような、あるいは特殊な研究所で生成されるような圧力）、水素が全く新しい振る舞いを見せるだろうということを知っていた。このような極限の圧縮下では、水素原子は互いに非常に接近させられ、高密度で珍しいネットワークを形成し、「スーパーハイドライド（超水素化物）」と呼ばれるクラスの材料を作り出す。これらのエキゾチックな化合物は、一つの驚くべき特性で有名である。すなわち、既知のどの超伝導体よりもはるかに高い温度で、電気抵抗ゼロで電気を伝導できるものがあるということだ。しかし、それらを利用する上での大きな障壁が常に立ちはだかってきた。これらのスーパーハイドライドは、砂漠の中の氷の塊のようなものである。押しつぶす圧力が解放された瞬間に、それらは平凡で、あまり面白みのない物質へと溶け戻ってしまう。研究者たちの大きな課題は、これらの高圧構造を閉じ込め、通常の空気中で生存させ、その驚異的な特性を実世界での利用に結びつける方法を見つけ出すことであった。

フランスの研究チームは、圧力を解いても崩壊することを拒む新しいタイプのスーパーハイドライドを作成することにより、この問題の解決に向けた重要な一歩を踏み出した。イットリウム、鉄、そして水素の混合物を用いて、彼らはダイヤモンドアンビルセルと呼ばれる装置で材料を押しつぶした。実験中、試料を高圧下でレーザーによって加熱することで、原子を特定の高度に秩序化された構造へと誘導した。その結果、Y3Fe4H20という化学式を持つ化合物が得られた。これは、これまでに見たことがないような方法で水素原子が詰め込まれた材料である。この発見が真に特別な理由は、科学者が圧力をゆっくりと解放したとき、材料が崩壊しなかったことにある。代わりに、それは形状を維持し、通常の雰囲気圧に戻った後でも安定していた。これは、これほど高い水素含有量を持つスーパーハイドライドが、日常的な条件下で回収され、無傷で保持された初めての事例である。

彼らが何を発見したのかを理解するために、チームは新しい材料の結晶構造の内部を観察する必要があった。強力なX線ビームを用いて、重い金属原子であるイットリウムと鉄の位置をマッピングした。水素原子はX線では明確に見ることができないほど軽いため、研究者たちは、構造を安定させるために水素がどこに位置していなければならないかを判断するために、高度なコンピュータシミュレーションを用いた。そこで浮かび上がった図は、独特な建築デザインであった。鉄原子はそれぞれ8つの水素原子に囲まれ、立方体のような分子ユニットを形成している。これらの立方体は単独で浮いているのではなく、辺と辺を接するように連結し、水素原子を共有して長い連続した鎖を形成している。イットリウム原子はこれらの鎖の間の空間に位置し、電気的な力によって固定されている。研究者たちは、この配置を、一般的な岩石の家族であるケイ酸塩鉱物におけるケイ素と酸素の結合の仕方に例えたが、ここでは「岩石」は水素と金属でできている。このケイ酸塩に似た水素鎖のフレームワークこそが、材料に強度を与え、通常であればそれを生成するはずの押しつぶす圧力がなくても生存することを可能にしているのである。

この発見への道のりは、特定の出発点から始まった。それは、すでにいくらかの水素を吸収した、イットリウムと鉄の既存の化合物であった。チームは、この材料の微小な結晶と余剰の水素ガスを、2つのダイヤモンドの先端の間に置いた。彼らは圧力を加え、海面での大気圧の100万倍を超える、最大90ギガパスカルに達するレベルまで押しつぶした。これらの深部では、原子は固い抱擁へと強制される。原子が最も安定した形態へと再配列するのを助けるため、科学者たちはサンプルにレーサーを照射し、一瞬の間、温度を約1,500度まで加熱した。この熱は、原子が新しい位置へと飛び移るために必要なエネルギーを与えた。サンプルを冷却して結果を確認したとき、彼らは新しい、明確な結晶が形成されたことを見出した。実験を何度も繰り返し、異なる圧力を用いることで、この新しい構造が60ギガパスカルという低い圧力からでも作成できることを確認した。

新しい結晶が特定されると、チームは圧力を徐々に下げていく際に何が起こるかを観察した。典型的なシナリオでは、高圧材料は、絞り上げる力が解放された瞬間に、より単純な破片へと即座に分解する。しかし、Y3Fe4H20は異なった挙動を示した。それは完全な状態を維持し、圧力がゼロにまで下がっても、その複雑な内部秩序を保ち続けた。科学者たちは、通常圧下で30時間以上にわたって結晶を観察したが、崩壊の兆候は見られなかった。実験から3ヶ月後も、実験のサンプルは依然として識別可能な状態であったが、水素をわずかに失ったため、体積がわずかに縮小していた。この緩やかで制御された水素の喪失は、この材料が完璧に永久的ではないものの、そのような極限状態で生まれた物質としては驚くほど安定していることを示唆している。これは、このスーパーハイドライドにおける原子の特定の配置が、より単純な構成要素へと戻ろうとする衝動に抵抗できるほど強いことを証明している。

研究者たちはまた、この構造内での原子の振動と相互作用についても詳細に調査した。彼らの計算によれば、この材料は電気伝導性を持っており、超伝導に必要な特性を備えているが、それ自体が高温超伝導体である可能性は低いことが判明した。電子の分布の仕方は、この材料が電気を通すことはできるものの、LaH10のような他の有名なスーパーハイドライドに見られるような、抵抗ゼロの効率的な伝導は行わないことを示唆している。しかし、この発見は、超伝導体としての即時の応用を目的としたものではなく、それが提供する「概念実証」に関するものである。これは、異なる金属を混合し、適切な構造的な設計図を用いることで、科学者が「準安定（メタステーブル）」な、つまり、最も安定した状態ではないものの、長い間存続するのに十分な安定性を持つ水素に富んだ材料を作成できることを実証している。これは、この安定性と望ましい超伝導特性を組み合わせることができる、他の同様の化合物を探索する扉を開くものである。

この材料を発見するために用いられた手法は、新たな発見の道筋を提示している。どの元素の組み合わせが機能するかをコンピュータ予測のみに頼るのではなく、チームは実験的な合成と標的を絞ったコンピュータモデリングを組み合わせた。彼らは高圧実験によって金属の骨格の形状を明らかにし、その後、コンピュータを使用して欠落している水素原子を補った。このアプローチにより、繰り返しの単位に含まれる原子数が非常に多いため、現在のコンピュータ検索では自力で見つけることが困難な構造を見つけることができた。この手法の成功は、次世代のエキゾチックな材料を見つけるための最善の方法は、コンピュータに最初から予測させるのではなく、高圧環境に発見を導かせ、コンピュータはその結果を解釈するために使用することであることを示唆している。

将来に向けて、Y3Fe4H20の構造は将来の研究のためのテンプレートとなる。この材料は、連結された水素鎖の特定のフレームワークに基づいて構築されているため、科学者たちは鉄の代わりにニッケルなどの他の金属を入れ替えて、特性を微調整できるかどうかを試すことができる。初期の計算によれば、そのような置換は、超伝導の可能性を高める可能性がある。この新しいプロトタイプ構造の発見は、議論を「これらの材料を作れるか？」から「これらの材料のうち、どれを維持できるか？」へと変化させる。スーパーハイドライドが、深い地中から実験室のベンチへと移行しても生存できることを示すことで、この研究は、次世代の材料科学に向けた具体的な目標を提供し、室温超伝導という夢を現実に一歩近づけたのである。