[論文レビュー] Coexistence of Diamagnetism and Vanishingly Small Electrical Resistance at Ambient Temperature and Pressure in Nanostructures

Dev Kumar Thapa, Saurav Islam+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用数 22

ひとこと要約

本研究では、常温・常圧下で、金マトリックス中にナノ構造化された銀粒子をドーピングした系において、臨界温度（T_C）未満で著しく小さい電気抵抗（~2 μΩ）と強力な反磁性が共存することを報告している。この材料は、抵抗率（~10^{-12} Ω·m）が貴金属よりも4桁以上低い値を示しており、設計されたナノ構造において室温超伝導の可能性を示唆している。

ABSTRACT

The great practical utility has motivated extensive efforts to discover ultra-low resistance electrical conductors and superconductors in ambience. Here we report the observation of vanishingly small electrical resistance at the ambient temperature and pressure conditions in films and pellets of a nanostructured material that is composed of silver particles embedded into a gold matrix. Upon cooling below a sample-specific temperature scale ($T_{C}$) as high as $286$ K, the film resistance drops below $\sim 2μΩ$, being limited by measurement uncertainty. The corresponding resistivity ($\sim 10^{-12}$ $Ω$.m) is at least four orders of magnitude below that of elemental noble metals, such as gold, silver or copper. Furthermore, the samples become strongly diamagnetic below $T_{C}$, with volume susceptibilities as low as -0.056. We additionally describe methods to tune $T_{C}$ to temperatures much higher than room temperature.

研究の動機と目的

• 常温条件下で動作する超低抵抗導体および超伝導体の発見を目的とする。
• ナノ構造材料における超伝導的抵抗と反磁性の共存を調査することを目的とする。
• T_Cを室温以上にチューニング可能なシステムを設計することを目的とする。
• ナノ構造複合材料における抵抗の消失および反磁性応答を可能にする物理的メカニズムを探索することを目的とする。

提案手法

• 制御された合成および焼結を用いて、金マトリックス中に銀ナノ粒子を埋め込んだ薄膜およびペレットの作製。
• T_Cの特定を目的として、温度変化に伴う電気抵抗および磁化率の測定。
• SQUIDを用いた磁気測定法を用いて、反磁性応答を定量的に評価し、メイソン類似の挙動を確認。
• 銀ナノ粒子のサイズ、分布およびマトリックス組成の制御によりT_Cのチューニング。
• 四端子プローブ法を用いた抵抗率の分析により、接触抵抗からの内在的材料挙動の分離。
• ナノ構造の形態を系統的に変化させ、構造的パrameterと超伝導転移温度および抵抗抑制の関係を相関づける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 常温・常圧下で、著しく小さい電気抵抗と強力な反磁性がナノ構造材料に共存可能か？
• RQ2 Ag/Auナノ構造における最大の達成可能なT_Cは何か？また、室温以上にチューニング可能か？
• RQ3 Ag/Auナノ構造の抵抗率は、量子抵抗限界にどの程度近づくか？
• RQ4 T_C未満における磁気的応答の性質は何か？また、磁束のメイソン的排除を確認できるか？
• RQ5 ナノ構造の形態および組成は、超伝導転移および抵抗抑制にどのように影響するか？

主な発見

• T_C未満で電気抵抗が~2 μΩ未塔に低下し、測定誤差の範囲でのみ制限されるため、ほぼゼロ抵抗挙動を示す。
• 抵抗率は~10^{-12} Ω·mに達し、元素の金、銀、銅よりも少なくとも4桁以上低い値を示す。
• 体積磁化率がT_C未満で-0.056に達し、強力な反磁性応答を確認した。
• T_Cは最大286 K（13°C）に達し、ほぼ常温条件下での超伝導的挙動を示した。
• 銀粒子のサイズおよび分布の制御によるナノ構造のエンジニアリングにより、T_Cをより高い温度にチューニング可能である。
• 単一の材料系においてほぼゼロ抵抗と強力な反磁性が共存することから、ナノ構造複合材料における非代替的超伝導の出現を支持する。