材料科学
NUS、銅不使用の高温超伝導材料を発見
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超伝導の可能性
電気は現代社会を支える重要な技術です。通常の導体では、電流が流れると電気抵抗によってエネルギーの一部が熱に変わります。
この発熱は、システムが扱える電流や磁場の大きさを制限します。そのため大電力装置には、適切な冷却と保護が必要です。
超伝導は、一定の条件下で電気抵抗が測定限界まで低下し、マイスナー効果を示す状態です。多くの超伝導体は、絶対零度（0 K、約−273.15°C）に近い極低温を必要とします。
1986年には、1987年のノーベル物理学賞につながった銅酸化物の高温超伝導が発見されました。「高温」といっても従来の超伝導体との比較であり、依然として室温を大きく下回る冷却が必要です。
超伝導体は、CERNなどの粒子加速器用磁石、MRI、一部の磁気浮上式鉄道に使われています。これらの技術は非超伝導部品にも依存しています。
超伝導体は、ITERや核融合などで利用され、マスドライバーや一部の量子コンピューターへの応用も研究されています。
超伝導ケーブルは抵抗損失を減らせますが、冷却、変換、接続部、補助装置では損失が発生します。長距離送電への採用は、コスト、信頼性、臨界電流、臨界磁場、系統統合を含むシステム全体の評価に左右されます。
出典: XOT Metals
高温 超伝導
冷却が必要なため、現在の超伝導体は主にMRI、研究用磁石、一部の磁気浮上システム、科学機器など、高い性能に価値がある用途で経済性を持ちます。
非常に高い圧力でのみ現れる超伝導は基礎科学上重要ですが、特殊な加圧装置と小さな試料を必要とするため、実用化は困難です。
近年、候補材料は増えていますが、温度、圧力、製造、規模の制約はまだ解消されていません。
- 高圧で形成した相や性質の一部を低圧で保持できるか、圧力クエンチプロトコル（PQP）などで検証されています。実用的な超伝導体を一般的に作れる手法にはなっていません。
- ねじれ二層WSe₂は特定の実験条件で超伝導を示しますが、温度は非常に低く、室温超伝導体ではありません。
- 二層ニッケレートや無限層ニッケレートも候補群を広げていますが、その挙動は組成、圧力、ひずみ、基板、膜厚に左右されます。
- LK-99は銅を置換した鉛アパタイトで、常温常圧超伝導体だと一時主張されました。
- その後の追試では室温超伝導は確認されず、観測信号は不純物相や通常の磁気効果で説明されました。関連材料の追加研究も当初の主張を復活させていません。
従来型超伝導の機構はよく理解されていますが、多くの高温超伝導体の完全な機構には未解決の点があります。材料の組成空間は膨大であるため候補を絞るモデルは有用ですが、予測は合成と独立した測定で検証しなければなりません。
2025年1月の研究は、特定の非従来型超伝導モデルにおける臨界温度の内在的な上限を提案しました。すべての材料に証明された普遍的な上限ではありません。
2025年3月、シンガポール国立大学の研究者は、常圧で40 K近くの超伝導を示す銅を含まないニッケレート薄膜を報告しました。成果はNature1に「Bulk superconductivity near 40 K in hole-doped SmNiO2 at ambient pressure」として掲載されました。
新しい超伝導材料モデル
超伝導の説明
研究チームは、層間相互作用と臨界温度の経験的な関係から、候補を絞る現象論的モデルを構築しました。超伝導の全機構を説明する普遍理論ではないため、基本概念を区別する必要があります。
クーパー対は、相関した二つの電子が形成する量子状態です。超伝導には重要ですが、対形成の機構はすべての材料群で同じではありません。
1972年のノーベル物理学賞に関係するバーディーン・クーパー・シュリーファー（BCS）理論は、クーパー対の凝縮によって多くの従来型超伝導体を説明します。ただし単純なBCS理論だけでは、銅酸化物など多くの非従来型高温超伝導体を完全には説明できません。
従来型超伝導体では、格子振動の量子であるフォノンが電子対形成を媒介します。非従来型材料で支配的な相互作用は研究中であり、フォノンを普遍的な説明とみなすことはできません。
出典: Fiveable
新しい超伝導体の予測と作製
この現象論的モデルは、銅を含まない複数の化合物を高温超伝導候補として予測しました。候補を絞ることはできますが、すべてが合成可能または超伝導になることを証明するものではありません。
チームは、サマリウム、ユウロピウム、カルシウム、ストロンチウムをドープした無限層ニッケル酸化物薄膜を作製しました。論文では（Sm-Eu-Ca-Sr）NiO₂と表記されています。
「予測し設計したとおり、この銅を含まない超伝導酸化物は、銅酸化物と同様、追加の圧縮を必要とせず、海面の大気圧下で高温超伝導を示します。
この結果は、非従来型高温超伝導が銅だけに限られず、より広い元素群に見られる可能性を示しています。」
論文は、40 K近くでの転移開始、31 Kでのゼロ抵抗状態、マイスナー効果を報告しました。輸送測定と磁気応答は超伝導を裏づけますが、一つの成功がモデルの全予測を証明するわけではありません。材料は研究室の薄膜で、工業用バルク部品ではありません。
NUS博士課程のZhaoyang Luo氏は、電子顕微鏡で合成膜の高い結晶性と比較的純粋な相を示しました。これは結果を強めますが、長期安定性、量産性、靭性、コストを証明するものではありません。
「ノーベル賞につながった発見以来、銅を含まない高温超伝導酸化物が常圧で機能したのは初めてです。
さらに、この新材料は周囲条件で高い安定性を示し、取り扱いやすさを大きく向上させます。」
研究条件では、ラドルスデン・ポッパー型構造欠陥がほとんどない膜を作製できました。実用性を判断するには、基板、薄膜成長、組成制御、再現性、スケールアップをさらに検証する必要があります。
用途と今後の開発
確認された候補を用いて、組成、電子占有、ひずみ、膜厚、磁場、静水圧が臨界温度と材料特性に与える影響を調べられます。
この研究は、より高い動作温度を持つニッケレートや関連材料の探索に役立つ可能性があります。ただし臨界温度の上昇は保証されず、十分な臨界電流密度、臨界磁場、安定性、製造性も必要です。
より高温で動作する超伝導体を、ワイヤ、テープ、薄膜、部品として確実かつ経済的に量産できるなら、次のような効果が考えられます。
- MRI磁石や一部の磁気輸送など、既存用途の冷却負荷とコストを下げられる可能性があります。削減幅はシステム全体に依存します。
- 臨界温度、臨界磁場、臨界電流密度が十分なら、新しい用途が広がります。液体窒素の沸点は約−196°C（77 K）であり、77 Kを十分上回る動作余裕を持つ材料なら、液体ヘリウムより扱いやすい冷媒を利用できます。
- 候補には送電、磁気エネルギー貯蔵、モーター、発電機、研究磁石、船舶システム、一部の推進・打ち上げ構想があります。それぞれ個別の技術・経済評価が必要です。
「この観測は、理論的理解と実験的実現の双方に大きな意味を持ち、現代電子技術への応用が考えられる超伝導材料の範囲を広げます」
超伝導ソリューション企業
AMSC 価格チャート
AMSCは、送電網や産業施設向けの電力品質・制御装置、風力タービン用電気システム、船舶保護システムを提供しています。高温超伝導線材を使う製品もありますが、全製品が超伝導を必要とするわけではありません。
超伝導ソリューションに加え、AMSCは風力タービン向け電気制御システムを提供しています。社名から、売上や製品のすべてが超伝導関連だと判断すべきではありません。
電化、データセンター、送電網近代化、製造業、再生可能エネルギー、防衛支出は需要を支える可能性があります。一方、受注は顧客予算、大型案件、収益認識の時期、競争、エネルギー政策、サプライチェーンに左右されます。
出典: American Superconductor Corporation
Grid部門では、公益事業者や半導体工場を含む産業施設に電力品質、制御、送電ソリューションを販売しています。受注は必ずしも安定的に増えるわけではなく、顧客集中と案件日程の影響を受けます。
Wind部門では、主に電気制御システム（ECS）と風力タービン設計を提供します。売上は特定顧客への出荷で大きく変動し得ます。インドなどでの3 MW設計の成功は、需要と製造パートナーの実行力に依存します。
軍用艦向けには、高温超伝導ケーブルを用いて艦船の磁気シグネチャを低減するship protection systemsを提供しています。過去の海軍向け受注は、将来の契約、数量、利益率、採用を保証しません。
AMSCは現在実用可能なニッチ用途で技術を商用化していますが、NUS研究への独占的権利は示されておらず、超伝導の進歩すべてから自動的に利益を得るわけではありません。投資家は最新の開示資料で、収益性、キャッシュフロー、バックログ、買収、顧客集中、競争、政府契約、株価変動、商用化失敗のリスクを確認する必要があります。
American Superconductor Corporationの最新情報
参照研究：
1. Chow, S.L.E., Luo, Z. & Ariando, (2025) Bulk superconductivity near 40 K in hole-doped SmNiO2 at ambient pressure. Nature 642, 58–63. 2025年3月20日公開、同年5月21日版。 https://doi.org/10.1038/s41586-025-08893-4
