ナトリウムと水素、計算上の超伝導体

超伝導体は、臨界温度Tcより低い温度で、電流をまったく抵抗なしに流す。水素を多く含む物質では、記録的な数値は目を見張るものだ。H₃SとLaH₁₀は200ケルビンを超える温度で超伝導になる。しかしそれは、約1メガバール、つまり大気圧のおよそ100万倍に押しつぶされたときに限られる。課題は、より低い圧力で同じ性能を得ることだ。

水素が役立つのは軽いからだ。水素原子は非常に高い振動数で振動し、この振動が電子を結びつけて、超伝導電流を運ぶペアをつくることができる。最も優れた水素化物の多くでは、水素はもはやH₂分子を形づくっていない。水素がペアを組んだままの化合物は、長いあいだ有望ではないと見なされてきた。各ペア内部の強い結合が、電子を働きの場から引き離してしまうからだ。

探索で見つかった化合物

テネシー大学のティエンラン・チェンと、NIST中性子研究センターのタネル・ユルドゥルムは、10万を超える水素の多い構造をコンピューターで探索した中で、すでに六水素化ナトリウムNaH6に目をつけていた。独立した別の研究も、この物質の高いTcを予測していた。今回2人は、これを詳しく調べた。すべて計算によってである。

• 進化的アルゴリズムで、各圧力において最も有利な結晶配置を探す。
• 電子、原子の振動、そしてその結合を量子力学で計算し、標準的な式からTcを求める。
• 300ケルビンでの分子動力学計算で、原子が揺れ動いても構造が保たれるかを確かめる。

試料は合成も測定もされていない。

二つの結晶、二つのふるまい

計算からは、込み入った状況が浮かび上がる。50ギガパスカルでは15種類の構造が安定で、その大半は二つの主な形の近い親戚だ。どちらの形でも、水素はわずかに引き伸ばされたペアになっている。

• 立方晶の形は、50ギガパスカルで230ケルビンまで超伝導になると予測される。0.5メガバールで約−43 °Cにあたる。200ギガパスカルでもなお215ケルビンだ。
• 菱面体晶の形は10ギガパスカルまで安定を保ち、そこでの予測Tcは34ケルビンだ。圧縮するとTcは急速に上がる。50ギガパスカルで99ケルビン、90ギガパスカルで157ケルビン、1ギガパスカルあたり約1.6ケルビンの割合である。

著者らがはっきり述べている落とし穴がある。50ギガパスカルでは、230ケルビンの立方晶の形は最も安定な配置ではない。より単純な水素化ナトリウムと水素に分解するのに必要なエネルギーを、わずかに上回るところにある。この分解に対して安定になるのは60ギガパスカルを超えてからで、二つの形の安定性は114ギガパスカル付近で入れ替わる。300ケルビンでの分子動力学計算では、立方晶の形は壊れずに保たれる。ただしその時間は数兆分の1秒だ。

役に立つ水素のペア

最も意外な発見は、そのメカニズムだ。ペアは超伝導を妨げない。電子と強く結合する振動はどれも、一般的な実験手法であるラマン分光法で観測される振動だった。それ以外の振動はほとんど結合しない。200ギガパスカルで他の102種類の水素化物を調べたところ、著者らは同じパターンを見いだした。ラマン活性な振動は、それ以外の振動より平均で約40倍強く結合する。

菱面体晶の形では、圧力によって水素のペアが傾く。10ギガパスカルでの4度から、90ギガパスカルでの21度へ。傾くにつれて、鍵となる振動の結合が強まる。これはTcの上昇と歩調を合わせており、その間、電子構造はほとんど変わらない。単純な幾何学的モデルがこの傾向をよく再現するが、著者らはこれが解釈であって証明ではないと強調している。

画面から実験室へ

これらは予測である。計算された温度は、標準的ではあるが調整可能なパラメーターに左右される。そして50ギガパスカルは、いまだ約50万気圧だ。もし確認されれば、NaH6は、水素のペアの向きが水素化物超伝導体を設計するための新たなつまみになることを示すだろう。次に語るのは実験家たちだ。