תנודות מגנטיות רוחביות ענקיות בקצה של מוליכות-על חוזרת ב-UTe2

מדוע מתכות מוזרות חשובות

הרוב המכריע של המכשירים שמניעים את הטכנולוגיה המודרנית מסתמכים על מתכות רגילות שחמות ובזבזניות אנרגיה. מוליכי-על שונים: הם יכולים לנושא חשמל ללא התנגדות, אך בדרך-כלל רק בתנאים מיוחדים שהשדות המגנטיים החזקים משמידים במהירות. ה-Uranium ditelluride (UTe2) סוטה מהמגמה הזו. במוצק הזה, המוליכות-על נעלמת בצורה מסתורית ואז מופיעה שוב בשדות מגנטיים קיצוניים. העבודה הזאת שואלת שאלה פשוטה עם השלכות רחבות: איזו צורה של מגנטיות חבויה מאפשרת למוליכות-על לשגשג במקום שבו היא אמורה להיות המדוכאת ביותר?

מוליך-על שבא לחיים מחדש

UTe2 משכה עניין רב כי היא מכילה מספר שלבי מוליכות-על מובחנים שתלויים באופן רגיש בכיוון שבו מוחל שדה מגנטי חזק. כשמגבירים את השדה, המוליכות-על הרגילה בשדות נמוכים נעלמת, כפי שמצופה. אך בשדות סביב 40 טסלה — מאות אלפי פעמים גבוה יותר ממגנט של מקרר — מופיעה מחדש מצב מוליכות-על חדש בהילה של כיוונים סביב ציר גבישי אחד. ההתנהגות החוזרת הזו חופפת לקפיצה פתאומית ברגע המגנטי של החומר, תופעה המכונה מעבר מטה-מגנטי, שבה האלקטרונים מיושרים בחוזקה לפי השדה המופעל. הבנת הקשר בין המעבר הזה למוליכות-על שהתחדשה היא מרכזית כדי לפענח כיצד האלקטרונים מתחברים בזוגות ב-UTe2.

מחפשים את סוג הרוטטות המגנטיות הנכונות

בתרכובות אורניום קשורות שמראות גם הן מוליכות-על מוּנעת שדה או משודרגת על ידי שדה, תפקיד מרכזי משחק סוג פשוט של מגנטיות שנקרא פרו-מגנטיות (ferromagnetism), שבו המומנטים (ספרינים) נוטים להתיישר באותו כיוון. כאשר שדה מגנטי מוחל בצורה רוחבית לכיוון המועדף הזה, הוא יכול לגרום לרטטים חזקים רוחביים, או תנודות טרנסברסיות, של הספרינים. עבודות תיאורטיות מציעות שתנודות טרנסברסיות אלה יכולות לשמש דבק שמקשר אלקטרונים לזוגות טריפלט-ספריני, צורת מוליכות-על נדירה ועמידה. אך UTe2 מבלבלת: בשדה אפס היא אינה מסדרת פרו-מגנטית, ובדידות ניוטרונים רואות במקום זאת סימנים להתנהגות אנטי-פרו-מגנטית (antiferromagnetic), שבה מומנטים שכנים מתחלפים. זה מעלה את התעלומה האם סוג התנודות שנחשב מסייע לקרובותיה יכול בכלל להתקיים כאן.

דרך חדשה להרגיש תנועה מגנטית חבויה

כדי לחוש את המגנטיות הטרנסברסית החמקמקה ב-UTe2, החוקרים השתמשו בטכניקה שנקראת תהודה מגנטוטרופית, הרגישה לשינויי האנרגיה של החומר כשהשדה המגנטי מנער קלות סביב כיוון קבוע. גביש UTe2 זעיר מודבק לקצה דו-מנוף מיקרוסקופי המרעיד כמו מזווית בתוך שדה מגנטי פעור של עד 60 טסלה. כאשר כיוון ועוצמת השדה משתנים, זוגות מומנטים מגנטיים עדינים כופפים את המנוף, משנים במעט את תדירות התהודה שלו. על-ידי מיפוי שינויים אלה עבור זוויות שדה רבות בשתי מישורי סיבוב שונות, הצוות מבודד עד כמה המגנטיזציה רגישה לשדות המופעלים בצדדים ביחס לכיוון השדה הראשי — כמות שמדידות מגנטיזציה רגילות כמעט ואינן תופסות.

תגובה רוחבית ענקית בקצה המעבר

כאשר השדה מיושר עם ציר ה-c של הגביש, התהודה המגנטוטרופית הנמדדת צונחת באופן חד סביב 20 טסלה, באופן שלא ניתן להסבירו בשינויים במגנטיזציה האטית לאורך השדה. על-ידי הפרדה קפדנית של התרומה האורכית המוכרת, המחברים מראים שהצניחה הזו משקפת גידול עצום בחדות התהודה הטרנסברסית: בשדות גבוהים היא נעשית יותר משלושים פעם גדולה יותר מהתגובה האורכית. כאשר השדה מוטה לכיוון ציר ה-b, האות הטרנסברסי הענק הזה לא רק שומרים אלא מתחזק, וממלא רצועה רחבה במפת השדה-זווית. הוא מסתיים בפתאומיות במעבר המטה-מגנטי אל שלב פרו-מגנטי ממוּנע שדה שבו הספרינים מיושרים, וגודל הקפיצה הפתאומית בתגובת המגנטוטרופיה עוקב אחרי האופן שבו מעבר דרגה ראשונה זה מתפתח אל נקודת קצה קריטית.

מה משמעות הדבר למוליכים-על עתידיים

מכיוון שהמדידות רגישות לתנועה של ספרינים באורך גל ארוך ותדירות נמוכה, האות הטרנסברסית הענקית מצביעה על תנודות דמויות פרו-מגנטיות אינטנסיביות, אף על פי ש-UTe2 אינה פרו-מגנטית בשדה אפס. תנודות אלה מצטברות בדיוק איפה שמופיעים שלושת שלבי המוליכות-על הידועים בשדות גבוהים במפת השדה-זווית. לכן העבודה תומכת בתמונה שבה הרטט הצדדי של הספרינים סמוך לגבול המטה-מגנטי מסייע לאלקטרונים להתחבר לזוגות במצב מוליכות-על יוצא דופן ועמיד. עבור לא-מומחים, המסר המרכזי הוא שמגנטיות ומוליכות-על לא תמיד אויבות: בתנאים המתאימים, התנועה הסוערת של הספרינים בשדה חזק יכולה לעזור לשחזר הולכה מושלמת במקום להרוס אותה, ומציעה דרך חדשה לעיצוב מוליכי-על שיימשכו בסביבות קיצוניות.

ציטוט: Zambra, V., Nathwani, A., Nauman, M. et al. Giant transverse magnetic fluctuations at the edge of re-entrant superconductivity in UTe₂. Nat Commun 17, 3742 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71899-7

מילות מפתח: UTe2, מוליכות-על חוזרת, תנודות פרו-מגנטיות, שדות ממגנטיים גבוהים, תהודה מגנטוטרופית