台湾の国立清華大学（NTHU）や国家同歩輻射研究中心（NSRRC）を中心とする国際共同研究チームが、銅酸化物高温超伝導体において約40年間未解明だった量子臨界点（QCP）の存在を実証しました。本研究には東京大学名誉教授の藤森淳氏や電力中央研究所（CRIEPI）が参画しており、国内で進む高温超伝導線材開発や超伝導量子ビットの材料設計を、経験則から計算予測主導へ転換させる知見となります。
台湾放射光施設TPS 41Aが捉えた量子臨界点の検証プロセス
高温超伝導の転移温度を高めるメカニズムの解明は、1986年の銅酸化物発見以来、物性物理学における最重要課題でした。研究チームは台湾光子源（Taiwan Photon Source）のビームライン「TPS 41A」を用い、ランタン・ストロンチウム・銅酸化物（LSCO）の精密測定を実施しました。
本研究成果の発表に至る経緯と支援体制は以下の通りです。
| 年月・時期 | 出来事・公表内容 | 関連機関・プロジェクト |
|---|---|---|
| 2025年3月19日 | APS Global Physics Summit 2025にて非弾性X線散乱による量子臨界挙動を口頭発表 | 米国物理学会（APS）、NTHU、NSRRC |
| 2026年2月11日 | プレプリントサーバーarXivへ論文初版（arXiv:2602.11011）を登録 | 国際共同研究チーム |
| 2026年8月17日 | NSRRCがTPS 41AによるQCP観測成果を公表 | 国家同歩輻射研究中心（NSRRC） |
| 2026年10月6日 | NTHUが約40年の未解明課題を解決した旨の公式リリースを発信 | 台湾国家科学及技術委員会（NSTC） |
研究チームを率いたNTHU理学院長の牟中瑜（Chung-Yu Mou）講座教授とNSRRCの黄迪靖（Di-Jing Huang）特任研究員らは、複数の公的研究資金を活用しました。台湾教育部による「玉山学者計画（Yushan Fellow Program）」を通じて藤森淳氏を招聘したほか、日本学術振興会（JSPS）の科学研究費助成事業（課題番号：JP22K03535）が国際共同研究を支えています。
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RIXSが暴いた「超伝導ドーム」下の競合秩序と普遍性クラス
これまで銅酸化物における量子臨界点の直接観測が阻まれてきた最大の理由は、超伝導転移温度（$T_c$）を示す「超伝導ドーム」の存在です。絶対零度近傍で量子相転移が起きる領域が超伝導状態に覆われてしまうため、臨界点そのものの直接信号を分離できませんでした。
研究チームはこの障壁を突破するため、高分解能な共鳴非弾性X線散乱（RIXS）測定を採用しました。RIXSは電子の運動量とエネルギー変化を同時に追跡できるため、超伝導秩序の背後に潜む電荷密度波（CDW）の揺らぎを高精度に検出できます。
| 領域区分 | 電子状態の構成 | 相図上の特徴 |
|---|---|---|
| 量子臨界点の手前（低ドーピング側） | 電荷密度波（CDW）＋対密度波（PDW）＋超伝導 | 複数秩序が絡み合い競合する複雑領域 |
| 量子臨界点（QCP） | 普遍的スケーリング則が成立（臨界指数 $\nu = 0.74 \pm 0.08$） | $O(4)$対称性を持つ普遍性クラスに属する転移点 |
| 量子臨界点の先（高ドーピング側） | 単純な超伝導状態（フェルミ液体的な金属相） | 競合秩序が消失し単一の超伝導秩序が支配 |
異なる温度とストロンチウム添加量（ホールキャリア濃度）で取得された逆相関長データを解析した結果、全データが単一の量子臨界スケーリング関数へと収束しました。導出された臨界指数は $\nu = 0.74 \pm 0.08$ であり、非負の明確な値を示したことが量子臨界点の存在を確定づけました。
さらに、電荷の周期的な偏りである電荷密度波と、超伝導ペアの空間変調である対密度波が結合し、$O(4)$対称性を持つ普遍性クラスに属することが実証されました。これにより、相図上で超伝導を誘発または阻害する機構の境界が物理モデルとして確立されました。
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国内の線材開発・放射光インフラ・量子ビット設計への波及
本研究によって相図の境界条件が数式化されたことは、日本の先端材料開発と計測基盤の活用に直接的な示唆を与えます。
1. 超伝導線材・マグネット材料のドーピング設計の効率化
国内では、電力中央研究所や古河電気工業、フジクラなどが核融合マグネットや送電ケーブル向けにREBCO（希土類銅酸化物）系高温超伝導線材の高性能化を進めています。従来は組成比の調整や微細欠陥の導入を試行錯誤で行っていましたが、QCPの位置と臨界指数 $\nu = 0.74$ を境界条件に組み込むことで、競合秩序を抑え臨界電流密度（$J_c$）を最大化するドーピング濃度を計算機上でスクリーニング可能になります。
2. 軟X線ナノテラス（NanoTerasu）など国内放射光施設の計測ターゲット高度化
実験を主導したTPS 41Aと同様に、日本国内でも次世代放射光施設「NanoTerasu（ナノテラス）」の共用が進んでいます。LSCO以外の超伝導体（ニッケル酸化物系や鉄系超伝導体など）における競合秩序の観測において、RIXSを用いたスケーリング指数の導出手法がそのまま国内ビームラインの標準解析フローとして適用できます。
3. 超伝導量子ビットの材料損失改善
ジョセフソン接合をはじめとする超伝導デバイスでは、界面近傍における微小な電荷の揺らぎや欠陥準位がデコヒーレンスを引き起こします。電荷密度波と対密度波の共存領域を避け、単純な超伝導状態が安定する組成比を選択することで、接合界面の局所的ノイズを低減する材料選定基準が確立されます。
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銅酸化物の相図境界確定に伴う技術選定の方向性
量子臨界点のパラメータが確定したことにより、超伝導材料の実装を担う開発部門は以下の手順で開発体制を再構成することが有効です。
- 計算科学部門におけるハバード模型・物性シミュレーションの境界条件更新
臨界指数 $\nu = 0.74$ および $O(4)$ 対称性を既知の制約条件として密度汎関数理論（DFT）や量子モンテカルロ計算に組み込み、超伝導転移温度の極大化モデルを再構築します。
- 銅酸化物薄膜・線材プロセスにおけるキャリア濃度の厳密管理
成膜時の酸素分圧やドーピング濃度の公差を再評価し、電荷密度波と対密度波が共存する不安定領域を避けたプロセスウィンドウを設定します。
- 国内放射光施設を用いた非弾性X線散乱（RIXS）データの取得
新組成の機能性酸化物を評価する際、従来の電気抵抗・磁化測定だけでなく、RIXSによる電荷揺らぎの相関長測定を材料評価基準として導入します。
出典: The Quantum Insider
出典: 国立清華大学（NTHU）
出典: 国家同歩輻射研究中心（NSRRC）
出典: 米国物理学会（APS）
出典: arXiv
