超高圧力下の水素の金属化および超伝導研究

超高压下氢金属化与超导研究

基本信息

批准号：
20K05078
负责人：
中本有紀
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K05078/
关键词：
水素高圧力金属化超伝導高圧相転移

项目摘要

最もシンプルな元素である水素は450万気圧（450 GPa）の超高圧力下で金属化し、さらに室温超伝導を示すとの理論予測があるが、圧力が高く実験的に困難であることから実証には至っていない。これまでに我々が行ってきた超伝導研究からアルカリ土類金属のカルシウムが200 GPaを超える高い圧力下で元素の中で最も高いTcを示すことを報告してきた。また本課題「超高圧力下の水素の金属化および超伝導研究」の実験を遂行するに必要な圧力発生技術開発として、400 GPaを超える超高圧発生に成功した。開発したトロイダル型ダイヤモンドアンビルセルを用いることで、最終のターゲットとして水素について400 GPaを超えた未踏の超高密度生成とその物性測定に挑戦する。①超高圧条件下での水素の結晶構造転移の検証。②超高圧下での電気伝導度測定により水素の金属転移現象および室温超伝導の実験的検証。これら2点を主要な目的とし、クリーンなエネルギーを目指した常温常圧下の超伝導体の材料設計に展開したい。400 GPaを超える超高圧下で電気抵抗測定を可能にするための条件出しとして、数μmサイズの試料に電極や絶縁層などの配置を試みた。①アンビルキュレット面のイオンエッチング、タングステンコーティングなど水素の侵入を防ぐための表面処理 ②絶縁材料（CaSO4, ｃBN,Al2O3など）の選定や絶縁層厚みや形状の最適化 ③蒸着電極のほか、電気伝導性の高いボロンドープドダイヤモンドなど電極作製法の決定 ④水素封入法について検討トロイダル型アンビルへの電極の挿入、そして水素封入は初めての試みであったが、ラマン測定から水素の封入に成功したことが明らかになった。しかしながら水素の圧縮率が高いことから試料穴や電極が大きく変形するなどして電気抵抗測定はできていない。また封入後の加圧に伴う圧力発生装置の問題点などを明らかにしその改良に務めた。

有理论预测，最简单的元素氢会在450万个大气压（450 GPa）的超高压下金属化并表现出室温超导性，但由于高压，很难通过实验证明这一点。尚未实现。根据我们迄今为止进行的超导研究，我们发现碱土金属钙在超过200 GPa的高压下表现出所有元素中最高的Tc。此外，作为本项目“超高压下的氢金属化和超导性研究”中进行实验所需的压力发生技术的开发的一部分，我们成功地产生了超过400 GPa的超高压。通过使用开发的环形金刚石砧池，我们将尝试以超过400 GPa的前所未有的密度生产氢气，并测量其物理特性作为最终目标。 ① 超高压条件下氢晶体结构转变的验证。 ②通过测量超高压下的电导率来实验验证氢金属转变现象和室温超导性。以这两点为主要目标，我们将围绕清洁能源，开展常温常压超导体材料设计研究。为了创造能够在超过400 GPa的超高压下进行电阻测量的条件，我们尝试在几微米大小的样品上布置电极、绝缘层等。 ①防止氢气进入的表面处理，如砧刮刀表面的离子蚀刻和钨涂层②绝缘材料（CaSO4、cBN、Al2O3等）的选择以及绝缘层厚度和形状的优化③除了蒸发电极、导电性决定电极制造方法，例如高性能的掺硼金刚石④ 氢封装方法的检验这是将电极插入环形砧并封装氢的首次尝试，但拉曼测量表明氢封装是成功的。然而，由于氢气的高压缩性，样品孔和电极变形很大，无法测量电阻。他还澄清了与封装后加压相关的压力发生器的问题，并致力于改进。