横浜国立大学ら、超伝導を特徴づける2つの長さを計算だけで求める手法を開発

ニュース紹介

「超伝導を特徴づける2つの長さを計算可能に～実験に頼らない超伝導体の性能予測に道～」

横浜国立大学大学院工学研究院の河村光晶准教授、東京都立大学大学院理学研究科の野本拓也准教授、ヴュルツブルク大学のニクラス・ヴィット博士、東京大学大学院理学系研究科の有田亮太郎教授（理化学研究所創発物性科学研究センターチームディレクター）らの研究グループは、超伝導体を特徴づける2つの基本的な長さ「コヒーレンス長」と「磁場侵入長」を、実験データを一切用いずに計算する第一原理計算手法を開発しました。アルミニウムやニオブなどの単体金属から、高圧下で約200K（－73℃）の高い転移温度を示す硫化水素まで、幅広い超伝導体について実験値をよく再現することを確認しました。本成果は、超伝導線材や超伝導磁石の設計、新しい超伝導体の探索に貢献すると期待されます。

本研究成果は、2026年11月3日（米国東部時間）付で、アメリカ物理学会（APS）が発行している国際科学雑誌「Physical Review Letters」に掲載されるとともに、注目論文として「Editors' Suggestions」に選出されました。また、同じくAPSが発行している「Physics（Physics Magazine）」でも取り上げられ、解説記事が掲載されました。

出典：科学技術振興機構（JST） 2026年11月6日共同発表／掲載誌：Physical Review Letters／DOI：10.1103/lrhl-j9bt
https://www.jst.go.jp/pr/announce/20261106-2/index.html

FrontJournalの解説

超伝導体の性能を決める2つの長さ

今回の研究は、超伝導体の性能を左右する「コヒーレンス長」（超伝導状態が同じ性質を保つ距離）と「磁場侵入長」（外部磁場が内部へしみ込む深さ）を、計算だけで求める手法です。発表資料によると、超伝導はMRIやリニアモーターカーなど、強い磁場を必要とする技術の基盤になっています。

物質が耐えられる磁場の上限はコヒーレンス長で決まり、流せる電流の原理的な上限は2つの長さで決まります。これまでの計算機シミュレーションは主に転移温度の予測に注力しており、2つの長さを求めるには実験値や経験的なパラメータの入力が必要でした。

①有限の運動量を持つクーパー対を導入

「横浜国立大学」の河村光晶准教授・「東京都立大学」の野本拓也准教授・「東京大学」の有田亮太郎教授（「理化学研究所」創発物性科学研究センターチームディレクター）らの研究グループが、この手法を開発しました。研究グループは「超伝導密度汎関数理論」（密度汎関数理論を超伝導状態に拡張した理論）に、「有限の運動量を持つクーパー対」を導入しています。

クーパー対（2つの電子が結び付いてできる対）の状態を空間的にゆるやかに波打たせ、超伝導ギャップと超伝導電流を温度と運動量の関数として計算します。超伝導ギャップが失われる運動量からコヒーレンス長が、超伝導電流が最大となる運動量から磁場侵入長が決まります。

②ニオブや高圧下の硫化水素で実験値を再現

研究グループは、アルミニウムやニオブなどの単体超伝導体・V3Si・高圧下の硫化水素H3Sに手法を適用しました。ニオブではコヒーレンス長34nm（実験値38～40nm）、磁場侵入長34～40nm（実験値27～39nm）と、実験をよく再現しています。約100万気圧という超高圧下でしか超伝導にならないH3Sについても、転移温度181K（実験値184K）を得ました。

本研究は「科学技術振興機構（JST）」の経済安全保障重要技術育成プログラム（K Program）などの支援を受けています。発表資料では、超伝導線材・超伝導磁石の設計や、MRI・核融合炉・量子コンピュータに適した材料の絞り込みを加速すると期待されています。