材料科学

常圧高温超伝導体へのベビーステップ

公開日 2025年2月19日

更新日 2026年5月30日

著者

Jonathan Schramm

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超伝導の制限

Electricity has been one of the most transformative technologies in history, allowing for the transmission of a very useful form of energy over long distances. But every “normal” electric system faces electric resistance, which results in the generation of heat when an electric current is applied.

代替手段として、いわゆる超伝導材料があります。超伝導材料は電気抵抗がゼロであり、熱を発生させずに極めて大きな電流を使用できます。

超伝導がなければ、粒子加速器（例：CERN）、MRI、そしてmaglev trainsなど、多くの現代技術は実現できません。

超伝導は、ITERや核融合、マスドライバー、量子コンピュータなど、最も有望なメガプロジェクトや技術革新の重要な要素となります。

ゼロロスの送電線は、長距離の電力網接続を実現し、天候や時差による再生可能エネルギーの生産を緩衝するのに重要であり、太陽光や風力発電の制限の一部を解決します。

しかし、これらの応用はすべて低温超伝導に基づいており、材料は約20 K（-253 °C / -423 °F）といった低温に冷却されたときにのみ超伝導性を示し、通常は液体ヘリウムが必要です。

このため、磁気浮上列車やMRIなどの最も要求の高い用途以外では実装が複雑になるだけでなく、コストも高くなり、超伝導材料や大規模利用から恩恵を受ける多くの用途にとっては経済的に不合理です。

超伝導への多様なアプローチ

Other forms of superconductivity than ultra-cold materials require constant very high pressure for the material to stay superconductive. This might be interesting from an experimental point of view, but even less practical for industrial applications or in energy and transportation infrastructures.

高温超伝導は、特に環境圧力・常温超伝導体であるLK-99（銅置換鉛リン酸塩 – CSLA）の謎めいたケースにより、選択肢となり得ます。この主張はすぐに偽造や測定誤差として批判されましたが、他の研究者が「何らかの現象が起きている可能性がある」と発見しました。

いずれにせよ、LK-99のケースは、超伝導が可能になる要因についてまだ全てを把握していないことを示しています。

最近、ツイストド・ビレイヤーWSe₂（タングステンセレニウム）も有望な材料候補として浮上しています。

ヒューストン大学、バッファロー大学、イリノイ大学、国立中山大学（台湾）、Intellectual Ventureの研究者たちは、材料の製造時のみ高圧が必要で、以降は不要とする超伝導材料の可能性をさらに広げています。

彼らはその結果をPNAS（Proceedings of the National Academy of Sciences）に「Creation, stabilization, and investigation at ambient pressure of pressure-induced superconductivity in Bi0.5Sb1.5Te3」というタイトルで掲載しました。

超伝導と圧力

The connection between high pressure and superconductivity has been studied for more than 30 years now, since their initial discovery in 1993. What happens is that the pressure modifies the atomic behavior of the material, which itself affects its electrical properties.

“In 2001, scientists suspected that applying high pressure to BST changed its Fermi surface topology, leading to improved thermoelectric performance.

That connection between pressure, topology, and superconductivity piqued our interest.”

Pr. Liangzi Deng – Researcher at the University of Houston

Pr. Deng (left) and Pr. Chu (right) – 出典: University of Houston

問題は、材料が産業用途に有用であるためには、通常状態でも興味深い特性を示す「準安定状態」である必要があり、そうすれば「通常」条件下でその特性を保持できることです。

これまでのところ、非常に高い圧力が必要という条件は、材料の研究を妨げただけでなく、実用的な応用も極めて困難にしています。ケーブルや磁石、鉄道部品をそのような極端な圧力下に保つことは、現在使用されている超低温条件よりもはるかに難しいでしょう。

高圧クエンチング

Maintaining the superconductivity properties at normal pressure is what the researchers just achieved.

そのために、彼らは特別な半導体材料であるBST（ビスマス・アンチモン・テルル / Bi_0.5Sb₁.5Te₃）を使用しました。圧力が約50 GPa（大気圧の500,000倍）まで加えられると、BSTは3つの超伝導相（BST-I、-II、-III）を示し、最初の相は4 GPaで現れます。

研究者たちは圧力クエンチプロトコル（PQP）と呼ばれる手法を開発し、圧力誘起相を常圧でも持続させることができました。

BST-I 超伝導相だけでなく、BST-II および BST-III 相も保存されました。

彼らはダイヤモンドアンビルを使用して、必要な極端な圧力を達成しました。

出典: University of Houston

電気的および磁気的特性は、非常に高感度な装置である磁化特性測定システム（MPMS）を用いて解析されました。

出典: University of Houston

作業温度の改善

When tested, these superconducting phases were not only initially stable at room pressure, but also preserved these states over time and when exposed to higher temperatures.

しかし、これは常温超伝導体であることを意味するわけではなく、常圧で相が安定し、冷却した際に実際の超伝導を示すことができるということです。

BSTは10.2 K（-262.9 °C / -441.3 °F）で超伝導を示すことが知られています。研究者は、減圧と圧力クエンチプロトコルの両方がBSTの転移温度を向上させ、既存の超伝導材料を改善する有力な選択肢になると発見しました。

“This experiment clearly demonstrates that one may stabilize the high-pressure-induced phase at ambient pressure via a subtle electronic transition without a symmetry change, offering a novel avenue to retain the material phases of interest and values that ordinarily exist only under pressure.

Pr. Paul Chu – Researcher at the University of Houston

将来の応用

While not immediately creating superconductive material, this opens the way for a new method to discover and design superconductive materials.

これまで、高圧超伝導は実用的な応用がほとんどなく、常温超伝導体は圧力の影響に依存しない特性を示す必要がありました。

圧力クエンチプロトコルが一般化できれば、現在は高圧でしか機能しない有望な超伝導材料を常圧で安定化させることが可能になるでしょう。

“Interestingly, this experiment revealed a novel approach to discovering new states of matter that do not exist at ambient pressure originally or even under high-pressure conditions.

It demonstrates that PQP is a powerful tool for exploring and creating uncharted regions of material phase diagrams.”

Pr. Liangzi Deng – Researcher at the University of Houston

It could also improve known superconductors so that their transition temperature is higher.

これにより、液体窒素（沸点78 K、-195 °C / -319 °F）という、液体ヘリウムよりはるかに扱いやすい冷却剤で動作できる超伝導体の実現へとつながる連続的な段階が開かれる可能性があります。例えば、現在ITERの超伝導磁石に使用されている液体ヘリウムの代わりに利用できるでしょう。

超伝導企業

AMSC 価格チャート

AMSCは、電力網、船舶、風力エネルギー向けのエネルギーソリューションを提供する企業です。一般に、電力消費が大きく、規模が大きいシステムほど、過熱を防ぐために超伝導技術が必要となります。

名前に反して、ASMCは超伝導システムだけでなく、例えば風力タービン用のギア駆動系なども提供しています。

同社は、電化・デジタル化（AIデータセンターを含む）のトレンド、米国製造拠点の回帰、そして英語圏海軍の近代化という地政学的リスクの高まりといった複数の成長要因に乗っています。

出典: American Superconductor Corporation [securities_stock_price_tag symbol="AMSC" exchange="NASDAQ"]

電源部門では、半導体工場が電力網の変動から保護されることや、再生可能エネルギーの間欠性に対応するため、注文が着実に増加しています。また、産業サイトでの電源・制御需要も増えています。

出典: American Superconductor Corporation

風力タービン部門では、AMSCは主に電気制御システム（ECS）に注力しています。歴史的に、ECSは2MWタービンで強いセグメントでしたが、徐々に縮小しています。AMSCは新しい3MWタービン設計とインド市場への特化により、回復を目指しています。

出典: American Superconductor Corporation

軍用船向けに、ASMCは「AMSCの高温超伝導磁気機雷対策」システムを提供しており、船舶の磁気シグネチャを変更して海底機雷から保護します。このシステムは米国、カナダ、英国海軍に販売され、現在までに7,500万ドル相当の受注があります。

全体として、ASMCは現在実用化可能なニッチな応用で超伝導技術を活用することで最も成功しており、将来的なさらなる技術進歩にも備えています。また、投資家は同社株が過去に極端なボラティリティを示してきたことに留意し、リスクを適切に計算すべきです。

研究参考文献：

¹^.^{Deng, B.}^{et al,}⁽²⁰²⁵⁾^{Creation, stabilization, and investigation at ambient pressure of pressure-induced superconductivity in Bi0.5Sb1.5Te3}^.^{Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (6) e2423102122,}^{https://doi.org/10.1073/pnas.2423102122}