揭开共掺1,2族金属石墨高超导之谜——钙、钾与水、油有关！ ―

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冈山大学

演示要点

〇​我们发现了石墨基材料独特结构和超导性的新视角。
〇“荧光X我们使用线全息术可视化石墨中的钙和钾。
〇 我们已经获得了利用丰富且廉价的元素制造高性能超导材料的指导方针。

摘要

　由V体育工学研究科工学部（物理工程领域）林吉一教授、广岛市立大学信息科学研究生院信息科学研究生院副教授八方尚久副教授、冈山大学综合基础科学研究所洼园吉博教授组成的研究小组，正在研究一种可以可视化原子排列的先进测量方法“荧光”。X线全息术”（注）1)成功获得了添加到石墨中的钙和钾的原子图像。因此，钙和钾原子不会随机混合，而是像纳米级的水和油一样相分离（注）。2)
超导性（注3)被认为是在具有良好有序结构的晶体中容易发生的现象。这一发现证明，添加元素发生相分离的异质晶体也表现出高转变温度。为了解决能源问题，许多研究人员正在致力于开发室温超导材料。这项研究的结果是使超导转变温度接近室温的重要一步。
　这个研究结果是2024年份4月18天另外，论文的插图补充封面艺术采用

使石墨超导的钙全息图

研究背景

　石墨是一种仅由碳组成的物质，学术上称为石墨。它是一种众所周知的用于铅笔芯的物质，具有重叠的碳原子层结构，可以轻松剥离，使其可以用作书写工具。另一方面，各种元素可以储存在这些原子层之间，例如石墨也被用作锂离子电池的负极。这些物质被称为石墨层间化合物，其中插入碱金属或碱土金属的物质由于表现出超导性而受到关注。石墨层间化合物的超导转变温度有一个有趣的特点；当插入金属元素时，碳原子层之间的间隙变宽，层间的尺寸和超导转变温度取决于以下因素：1这里，最中间层(d= 45Å) 小钙插层石墨高(LiC₂)、115K(开尔文)的转变温度另一方面，对于大的层间钾，055K，降低了两个数量级以上。我对这两种元素共掺杂时的超导现象感兴趣，210Ka另一方面，任何比例的层间都没有显着变化，与仅插入钾时几乎相同(d= 54Å)。因此，钙钾共掺石墨1中所示的曲线有很大的偏差。我们认为，通过详细研究钙和钾的结构，即使在低钙浓度下，我们也能够解开它们的高转变温度之谜。

图1 石墨层间化合物层间距离与超导转变温度的关系
　　(高桥康民，固体物理学卷。 44, 361 (2009))

　

图2 钙钾共掺石墨中钙比与超导转变温度的关系。
　〇为本次测定样品的成分

研究内容/结果

　实验中使用的样品含有钙和钾1：3石墨按比例共添加。由于使用传统的分析方法很难评估这些结构，该研究小组开发了一种称为“荧光”的先进测量技术。X使用了线全息术。该方法可以可视化构成物质的每个元素的三维原子排列。该实验是在大型同步加速器辐射设施中进行的Spring-8（注意4)BL39XU图3是钙和钾的测量全息图以及根据它们重建的原子图像。石墨中钙和钾的原子排列不同，这表明这两种元素不混合并且是相分离的。具体如图4所示，这是散布在钾原子层海洋中的钙原子层小岛的图像。此外，从原子图像的详细分析来看，这个岛的大小是10Å（注）5) 学位也是必需的。最初，它是钙和钾的混合物，科学上称为固溶体。6)。因此，这项研究可以说展现出了颠覆研究组预期的结果。

图3 测量的钙和钾荧光X线全息图和重建原子图像

　

图4 石墨中钙和钾的相分离模型

　

　这个钙岛的特征解释了它的高超导性。钾原子层存在于上下碳原子层之间，X线吸收精细结构法（注）7)，钙岛大约是0.8Å。图1显示了碳原子层与超导转变温度之间的关系，但较近的钙原子层与碳层之间的距离约为1.9纯钙掺杂石墨情况下的距离2.3Å 短。这种结构特征增强了钙和碳原子层之间的相互作用，有助于提高超导性。钙在这种材料中发挥着重要作用，即使与钾混合少量也能保持高超导性，这被认为与该研究小组阐明的独特结构有关。

社会意义

为了实现超导材料的社会化，必须提高超导转变温度。另一方面，在考虑社会可持续性时，最好使用对环境没有影响且元素丰富的材料。本研究中使用的样品由碳、钙和钾组成，它们是人体中也存在的极其常见的轻元素。这项研究的结果具有重要意义，因为由这种廉价元素组合而成的材料表现出高超导性，详细的结构分析使我们更接近其机理。

未来展望

添加到石墨中的碱金属和碱土金属还有许多其他可能的组合。尽管可以通过最佳组合进一步提高超导性，但总有一些结构特征会导致这种情况。通过使用尖端测量技术阐明细节，人们认为将有可能弥补室温超导体设计的差距。

　本研究得到日本学术振兴会科学研究补助金『学术转型领域研究』的支持(A)“超有序结构创造的凝聚态科学”(代表：林浩一)，基础研究(B)(代表：洼园义博)的支持下完成的和其他人。 （作业编号：17K05500、18K03540、18K04940、18K18736、19H02676、20H05878、20H05879、20H05881、23H05449)JASRI/SPring-8 研究课题(2016B0128、2017B0128)、爱知同步辐射中心研究项目(202301014)、广岛大学同步辐射科学研究所研究项目(22BU006)、九州同步辐射中心研究项目(2202003F)支持

论文信息

杂志名称：材料化学
论文标题：K 中的纳米相分离_1-x加拿大_XC₈X射线荧光全息术和扩展X射线吸收精细结构揭示
作者：N Happo、A Kubota、X Yang、R Eguchi、H Goto、M Ikeda、K Kimura、
Y。高林、J R Stellhorn、S Hayakawa、K Hayashi 和 Y Kubozono
发布日期：2024 年 4 月 18 日
DOI：101021/acschemmater3c02832
网址：

术语表

（注意1) 荧光X线全息
全息术是一种三维记录物体的方法，从中也可以重建物体的三维图像。荧光X线全息是荧光X使用线条、荧光的全息术X您可以可视化发射线的元素周围的原子排列。到目前为止，主要关注点是物质中的掺杂剂(杂质)的结构分析

（注意2) 相分离
当两种或多种元素混合在一起时，它们不会相互溶解，并出现不同成分的物质，这称为相分离。它经常被用来比喻水和油。

（注意3）超导性
一种现象，其中某些材料的电阻在低于该材料特定的温度时变为零。材料转变为超导性的温度称为超导转变温度，通常发生在接近绝对零的温度。超导体可以以零电阻承载电流，因此用于无能量损失的输电线路。由于它能产生大磁场，因此也可用于直线电机汽车。通过提高超导转变温度，可以减少冷却所需的大量能量，这将产生巨大的社会影响。

（注意4）大型同步辐射装置Spring-8
世界最高性能X可以使用电线的大型实验设施。X线条的强度比普通设备强许多数量级，这对于精确观察全息图等微弱信号非常有用。本研究中的荧光X进行线全息测量的光束线BL39XU（实验时负责人：河村直树、铃木义隆、水卷真一郎）能够使用纳米束，1侧面1000Å 的小区域。

（注意5）Å(埃)
长度单位。1厘米的1十亿1，大致对应于原子尺寸尺度。

（注意6) 固溶体
指已完全混合的均匀固相。许多合金是固溶体。

（注意7）X射线吸收精细结构法
特定元素X它是指在能量略高于线吸收光谱中的吸收边缘时看到的振动结构。通过分析这种振动结构，可以获得特定元素周围局部结构的信息。它的特点是不仅能够测量固体，还能够测量液体和气体。

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