Enormi fluttuazioni magnetiche trasverse al confine della superconduttività ri-emergente in UTe2

Perché i metalli strani contano

La maggior parte dei dispositivi che alimentano la tecnologia moderna si basa su metalli ordinari che si riscaldano e disperdono energia. I superconduttori sono diversi: possono condurre elettricità senza resistenza, ma di solito solo in condizioni molto speciali che campi magnetici forti distruggono rapidamente. Il ditellururo di uranio (UTe2) sfida questa tendenza. In questo materiale, la superconduttività scompare misteriosamente per poi riapparire a campi magnetici estremamente elevati. Questo lavoro pone una domanda semplice ma di vasta portata: quale tipo di magnetismo nascosto permette alla superconduttività di prosperare dove dovrebbe essere maggiormente soppressa?

Un superconduttore che torna in vita

UTe2 ha suscitato grande interesse perché ospita diverse fasi superconduttive distinte che dipendono in modo sensibile da come viene applicato un campo magnetico forte. Quando il campo aumenta, la superconduttività a basso campo usuale svanisce, come ci si aspetta. Ma a campi intorno ai 40 tesla — centinaia di migliaia di volte più forti di un magnete da frigorifero — riappare uno stato superconduttivo in una corona di direzioni attorno a un asse cristallino. Questo comportamento ri-emergente coincide con un improvviso salto nel momento magnetico del materiale, noto come transizione metamagnetica, in cui gli elettroni si allineano fortemente con il campo applicato. Capire cosa collega questa transizione magnetica alla superconduttività rinata è centrale per decodificare come gli elettroni si accoppiano in UTe2.

Cercare il giusto tipo di agitazione magnetica

In composti di uranio affini che mostrano anch’essi superconduttività indotta o rafforzata dal campo, un ruolo chiave è svolto da una forma semplice di magnetismo chiamata ferromagnetismo, in cui gli spin tendono ad allinearsi nella stessa direzione. Quando un campo magnetico è applicato di lato rispetto a quella direzione preferita, può eccitare forti oscillazioni laterali, o trasverse, degli spin. Lavori teorici suggeriscono che queste fluttuazioni trasverse possono agire come una colla che lega gli elettroni in coppie a spin tripletto, una forma rara e robusta di superconduttività. Ma UTe2 è ingarbugliato: a campo zero non mostra ordinamento ferromagnetico, e la diffrazione di neutroni osserva invece firme di comportamento antiferromagnetico, dove gli spin dei vicini si alternano. Questo solleva il problema se il tipo di fluttuazioni che si pensa aiuti i suoi cugini possa esistere qui.

Un nuovo modo per percepire il moto magnetico nascosto

Per sondare il magnetismo trasverso elusivo in UTe2, i ricercatori hanno usato una tecnica chiamata suscettibilità magnetotropica, che rileva come cambia l’energia del materiale quando un campo magnetico viene delicatamente oscillato attorno a una direzione fissa. Un minuscolo cristallo di UTe2 è incollato all’estremità di un cantilever microscopico che vibra come un diapason all’interno di un forte campo magnetico pulsato fino a 60 tesla. Man mano che cambiano direzione e intensità del campo, sottili coppie magnetiche piegano il cantilever, spostandone leggermente la frequenza di risonanza. Mappando questi spostamenti per molti angoli del campo in due piani di rotazione diversi, il team isola quanto la magnetizzazione risponde a campi applicati lateralmente rispetto alla direzione principale del campo — una quantità che le misure ordinarie di magnetizzazione in gran parte perdono.

Gigantesca risposta laterale al confine di una transizione

Quando il campo è allineato con l’asse c del cristallo, la suscettibilità magnetotropica misurata precipita bruscamente intorno ai 20 tesla, in un modo che non può essere spiegato dai cambiamenti nella magnetizzazione usuale lungo il campo. Separando accuratamente il contributo longitudinale noto, gli autori mostrano che questo crollo riflette una crescita enorme della suscettività magnetica trasversa: ad alti campi diventa più di trenta volte maggiore della risposta longitudinale. Quando il campo è inclinato verso l’asse b, questo segnale trasverso gigante non solo persiste ma si rafforza, riempiendo un'ampia fascia del diagramma campo–angolo. Termina bruscamente alla transizione metamagnetica verso la fase ferromagnetica polarizzata per spin indotta dal campo, e l’entità del salto improvviso nella risposta magnetotropica segue l’evoluzione di questa transizione di primo ordine verso un punto critico finale.

Cosa significa per i superconduttori futuri

Poiché le misure sono sensibili al moto di spin a lunghezza d’onda lunga e a bassa frequenza, l’enorme segnale trasverso indica intense fluttuazioni di tipo ferromagnetico, nonostante UTe2 non sia un ferromagnete a campo zero. Queste fluttuazioni si raggruppano proprio dove appaiono le tre fasi superconduttive note ad alto campo nel diagramma campo–angolo. Il lavoro supporta quindi un quadro in cui l’agitazione laterale degli spin vicino al confine metamagnetico aiuta gli elettroni ad accoppiarsi in uno stato superconduttivo insolito e resistente. Per i non specialisti, il messaggio chiave è che magnetismo e superconduttività non sono sempre nemici: nelle condizioni giuste, il moto incessante degli spin in un campo magnetico forte può contribuire a ripristinare la conduzione perfetta invece di distruggerla, offrendo una nuova via per progettare superconduttori che sopravvivono in ambienti estremi.

Citazione: 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

Parole chiave: UTe2, superconduttività ri-emergente, fluttuazioni ferromagnetiche, campi magnetici elevati, suscettibilità magnetotropica