イットリウム系超伝導体

イットリウム系超伝導体：液体窒素温度を超えた革新

[イットリウム]]系超伝導体とは、イットリウム]を含む化合物で、[液体窒素の沸点]を超える90K以上の温度で[[超伝導状態となる物質です。銅酸化物高温超伝導体に分類され、YBa₂Cu₃O₇という化学式を持ちます。元素記号からYBCO、あるいは組成比からY123とも呼ばれます。

1987年、ヒューストン大学の研究者らによって発見されたYBCOは、それまでの超伝導体とは桁違いの転移温度を示しました。それまで知られていた最高転移温度は30K程度でしたが、YBCOは90K前後という飛躍的な向上を実現したのです。この発見は、超伝導研究に革命を起こし、液体窒素を用いた冷却が可能になるという大きな可能性を開きました。

YBCOの性質と結晶構造

YBCOはペロブスカイト構造を基礎とする層状構造を持ち、酸素欠損を含むため、YBa₂Cu₃O₇₋δのように表記されることもあります。イットリウム、バリウム、銅、酸素の4元素から構成され、イットリウムを他の希土類元素（ランタン、ネオジムなど）に置換しても、同様の結晶構造と高い転移温度を示す場合が多いです。ただし、セリウムやテルビウムなど、置換できない元素もあります。

焼結温度は、置換する希土類元素の種類によって変化します。イオン半径が大きい元素ほど高い焼結温度が必要で、例えばガドリニウムでは950℃となります。一方、イオン半径の短い元素では920℃から980℃の高温と、12時間から24時間といった長い焼結時間が求められます。

YBCOの合成

YBCOは、酸化[イットリウム]、[炭酸バリウム]、酸化[銅]の粉末原料を、Y:Ba:Cu=1:2:3のモル比になるよう混合して合成します。混合した原料は、まず900℃程度で仮焼し、その後粉砕、再混合、成形を行い、930℃程度で本焼を行います。本焼後には、酸素アニール処理を行うことで、結晶内の酸素量を最適化し、転移温度の向上を図ります。この工程を経て、四端子法を用いた電気抵抗測定により、90K付近での超伝導転移を確認します。

YBCOの用途

従来、YBCOは線材化が困難だったため、バルクや[薄膜]]での利用が中心でした。しかし、REBCOなどの関連物質の開発により線材化技術が進歩し、高磁場を必要とする核磁気共鳴分光計(NMR)や[[核磁気共鳴画像法]などへの応用が期待されています。これらの装置への応用は、医療や科学研究の発展に大きく貢献する可能性を秘めています。

まとめ

イットリウム系超伝導体は、その高い転移温度と多様な性質から、基礎科学研究のみならず、実用的な応用面でも大きな注目を集めています。今後の研究開発により、さらなる高性能化や新たな用途開拓が期待され、私たちの生活を豊かにする可能性を秘めた材料と言えるでしょう。

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