Superconductivity of Tellurium Polyhydride with Tc above 90K
研究者たちは、263 GPaにおいて約91 Kの臨界温度を示す、高圧合成されたテルルポリ水素化物（TeH4）における超伝導相を実験的に発見し、これはカルコゲンポリ水素化物超伝導における another significant milestone（もう一つの重要な節目）となった。
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数十年にわたり、科学者たちはエネルギーの損失なしに電気を伝導できる材料、すなわち超伝導として知られる状態を実現できる材料を追い求めてきました。この現象はよく知られていますが、通常、宇宙の最深部にしか存在しないような極低温を必要とするため、実用化は非常に困難です。最近では、水素を他の元素と結合させた化合物であるポリヒドリド（多水素化物）と呼ばれる特定の材料一族に、研究の焦点が絞られ、熱意が高まっています。理論的に、これらの材料はユニークな有望性を秘めています。もし十分な圧力でこれらを押しつぶせば、水素原子が非常に接近し、金属のように振る舞い始めることで、かつてないほど高い温度で電気が自由に流れるようになる可能性があるというものです。「プレコンプレッション（事前圧縮）」というこの概念は、強大な力を加えることで、超伝導に必要な温度を、いつの日か実世界で利用可能なレベルまで下げられる可能性を示唆しています。
このアイデアに基づき、研究チームは今回、テルルと水素からなる化合物において超伝導を発見するという、物語の新しい章を書き加えました。テルルは周期表の右側に位置する化学元素であり、極限条件下で水素と結合すると、約91ケルビン（摂氏マイナス182度）の温度で電気抵抗なく電気を伝導する材料を形成します。これは依然として水の凍結点よりもはるかに低い温度ですが、この種の材料としては大きな前進であり、テルルを含む水素に富む化合物において超伝導が観察された初めての事例となります。
この材料を生成するために、科学者たちは地球の核の深部にあるような凄まじい圧力を再現する必要がありました。彼らは、ダイヤモンドアンビルセルと呼ばれる装置を使用しました。これは、平らな先端を持つ2つの小さなダイヤモンドで構成され、それらを押し合わせることで試料を挟み込み、圧縮する装置です。この微小なチャンバーの中に、彼らは一粒のテルルと、アモニアボランと呼ばれる水素に富む物質を置きました。アモニアボランは、水素の供給源であると同時に、圧力を伝達する媒体としての役割も果たしました。強力なレーザーで試料を約2,000ケルビンの温度まで加熱することで、アモニアボランを分解し、放出された水素ガスをテルルと反応させて新しい化合物を形成させました。このプロセスは繊細で困難なものでした。材料を鍛造するために必要な強烈な熱によって、しばしばダイヤモンドアンビルが損傷してしまい、実験を繰り返したり、変化する圧力下で材料をテストしたりすることを困難にしたからです。
材料が形成されると、研究者たちは高圧を維持しながら冷却を行い、その電気抵抗を測定しました。温度が低下するにつれて、試料の電気抵抗が急激に減少し、最終的には完全に消失したことを彼らは観察しました。これは、材料が超伝導体になったことを示す明確な兆候です。一つの試料では、このゼロ抵抗状態は約91ケルビンの温度で現れました。これが本当に超伝導であり、単なる材料の構造変化や磁性によるものではないことを確認するために、彼らは磁場を印加しました。その結果、磁場が強くなるにつれて、材料が超伝導になる温度が低くなることが分かりましたが、これは真の超伝導体が持つ典型的な挙動です。この磁場に対する感受性は、試料内の超伝導領域が「弱い結合（ウィークリンク）」によって繋がっていることを示唆しており、これは多くの微細な結晶からなる材料によく見られる特徴です。
その後、チームは大規模な研究施設にある強力なX線ビームを用いて、材料の内部を観察し、原子がどのように配置されているかを確認しました。捉えられた回折パターンは、超伝導相がTeH4と呼ばれる特定の化合物であることを明らかにしました。ここでは、1つのテルル原子が4つの水素原子と結合しています。この化合物の構造は非常に独特で、水素原子のケージ（籠）が互いに面を共有し、ハニカム構造に似た格子を形成しています。この構造内では、水素のペアが互いに接近して座っており、あたかも大きなフレームワークの中に閉じ込められた個々の分子のように振る舞っています。この配置は、他の科学者たちによる理論的予測と一致しており、彼らはこの特定の形状が高圧下で安定し、超伝導が可能であると示唆していました。
この発見により、テルル・ポリヒドリドは、硫黄水素化物と同様に、数少ない既知のカルコゲン・ポリヒドリド超伝導体の一角に加わりました。研究者たちは、試料の脆弱さゆえに圧力を上下させて材料の挙動を観察することはできませんでしたが、収集されたデータは、極限のストレス下で水素に富む材料がどのように振る舞うかを理解するための強固な基礎を提供しています。これらの知見は、これらの元素を押しつぶすことで、温度こそ依然として非常に低いものの、従来の超伝導体よりも温かい温度で、完璧な効率で電気を伝導する新しい状態の物質を作り出すことが可能であることを裏付けています。この研究は、既知の超伝導材料の地図を広げ、ポリヒドリドにおける高温超伝導という理論的な約束が、具体的な現実となりつつあるというさらなる証拠を提示しています。
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