成蹊大學研究生院理工學研究科的三浦正志教授與東京工業大學的細野秀雄榮譽教授、平松秀典教授等合作，依據名爲「載流子密度控制與磁通釘扎中心控制的融合」的新材料設計準則，成功製備出了鐵基超導材料「SmFeAsO1-xHx薄膜」。這種薄膜在4.15克耳文極低溫度、25特士拉強磁場下，實施了鐵基超導材料中的最高臨界電流密度。此外，基於該材料設計準則，研究人員也使其他類型的超導材料達到了世界最高水平的臨界電流密度，證實了準則的有效性。這項研究發表在期刊《Nature Materials》上。
圖1 採用新材料設計準則向後飛行躍式增大的超導電流（臨界電流）在SmFeAsO1-xHx薄膜内的流動情況（供圖：成蹊大學）
使用臨界電流密度（零電阻電流密度）作爲評估標準的超導材料適用範圍，實際由臨界溫度、不可逆磁場、臨界電流密度三個參數決定。拓展適用範圍，將會拓寬超導材料的用途。而目前特別需要解決的問題是，如何在磁場中飛躍式地提高多種超導材料的臨界電流密度。
此前的研究表明，引入磁通釘扎中心（非超導相）來抑制量子化磁通（quantized magnetic flux）進入超導體内部的運動，對於提高臨界電流密度是有效的。
另一方面，研究團隊曾在對銅氧化物高溫超導材料薄膜的研究中發現，臨界電流密度的理論極限——拆對電流密度（depairing current density）的提高，對於臨界電流密度的提高有很大影響。近年來的研究還表明，爲了提高拆對電流密度，關鍵是要控制作爲調諧參數的載流子密度、化學壓力和應變等。
爲此在本次研究中，研究團隊將目標設定爲透過調節SmFeAsO1-xHx薄膜中的氫注入量來控制載流子（電子）密度，並在此基礎上依據引入了磁通釘扎中心的新的材料設計準則「載流子密度控制與磁通釘扎中心控制的融合」，飛躍式提高超導材料在磁場中的臨界電流密度。
透過選擇氫而非傳統的氟作爲注入元素，研究團隊成功使注入鐵基超導薄膜中的載流子（電子）密度達到原先的三倍以上，飛躍式提高了拆對電流密度和臨界電流密度（無外部磁場）。研究人員進一步透過質子束照射成功將高密度的磁通釘扎中心引入薄膜，最終成功在鐵基超導材料中實施了世界上最高的臨界電流密度。
這種薄膜即便在液氦的沸點溫度（4.15克耳文）和25特士拉的強磁場條件下，也實施了鐵基超導材料中最高的磁場臨界電流密度。這一特性能夠媲美超導材料中臨界電流密度最高的銅氧化物高溫超導材料YBa 2Cu 3O y薄膜。
此外，研究人員按照該設計準則對其他鐵基超導薄膜和釔基超導薄膜進行調諧後發現，這些材料的拆對電流密度和磁場中臨界電流密度也都有所提高。
此次的薄膜有望應用於強磁場環境下的超導材料，如大型強子對撞機、用於核融合發電和分子結構分析的核磁共振（NMR）設備、核磁共振造影（MRI）研究設備以及磁懸浮列車等。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Materials
論文：Quadrupling the depairing current density in the iron-based superconductor SmFeAsO₁-xHx
DOI：10.1038/s41563-024-01952-7
