再現入超伝導の端での巨大な横磁気ゆらぎ — UTe2における観測

なぜ「奇妙な金属」が重要なのか

現代の多くの機器は、熱を生じエネルギーを浪費する普通の金属に依存しています。超伝導体は異なり、電気を抵抗なしで運ぶことができますが、通常は非常に限られた条件下でしか現れず、強い磁場で容易に壊されます。二テルル化ウラン（UTe2）はこの傾向に逆らいます。この物質では、超伝導が不可解に消え、極めて強い磁場で再び現れます。本研究は単純な問いを投げかけますが、その帰結は広範です：どのような隠れた磁性が、通常なら最も抑えられるはずの場所で超伝導を支えているのでしょうか？

よみがえる超伝導体

UTe2は、強い磁場のかけ方に敏感に依存するいくつかの異なる超伝導相を持つため、強い関心を集めています。磁場を上げると、通常の低磁場での超伝導は予想どおり消えます。しかし、磁場が約40テスラの付近では—冷蔵庫の磁石の何十万倍にも相当する極めて強い磁場—結晶の一つの軸を中心とした方向のハロー（環状領域）で新たな超伝導状態が再出現します。この再現現象は、電子が印加磁場に強く配向するメタ磁性転移として知られる磁気モーメントの急激な跳びと一致します。磁気転移とよみがえった超伝導を結びつけるものを理解することは、UTe2で電子がどのように対をなすかを解読する上で重要です。

適切な種類の磁気ゆらぎを探す

磁場誘起または磁場で増強される超伝導を示す関連するウラン化合物では、スピンが同じ方向を向こうとする強磁性という単純な磁性が重要な役割を果たします。その好まれる方向に対して磁場が横向きにかかると、スピンの横方向、すなわち横波的な大きな揺らぎが励起されます。理論的研究は、これらの横的ゆらぎが電子をスピン三重項対に束縛する糊の役割を果たしうることを示唆しています。これは稀で頑健な形の超伝導です。しかしUTe2は謎めいています：零磁場では強磁性秩序を示さず、中性子散乱ではむしろ近傍スピンが交互に配列する反強磁性の兆候が観測されます。これにより、仲間の化合物で有利に働くと考えられるゆらぎがここで存在し得るのかという疑問が生じます。

隠れた磁気運動を感じ取る新しい方法

UTe2のとらえにくい横磁性を探るため、研究者たちは磁気トロピック感受率と呼ばれる手法を用いました。これは磁場をある固定方向の周りでわずかに揺らしたときに物質のエネルギーがどのように変わるかを感知します。微小なUTe2結晶を微小なカンチレバーの先端に接着し、それを調音フォークのように振動させながら最大60テスラの強いパルス磁場内で操作します。磁場の方向と強さが変わると、微妙な磁気トルクがカンチレバーを曲げ、その共鳴周波数をわずかに変化させます。二つの異なる回転面で多くの磁場角度についてこれらの周波数シフトをマッピングすることで、試料の磁化が主磁場に対して横方向にどれだけ応答するかを分離できます。これは通常の磁化測定ではほとんど捉えられない量です。

転移の縁での巨大な横方向応答

磁場が結晶のc軸に整列したとき、測定された磁気トロピック感受率は約20テスラ付近で鋭く落ち込みますが、これは通常の磁化成分の変化では説明できません。既知の縦方向寄与を慎重に分離すると、この落ち込みは横磁気感受率の巨大な増大を反映していることが示されます：高磁場では横方向応答は縦方向応答の30倍以上に達します。磁場をb軸へ傾けると、この巨大な横信号は持続するだけでなく強まり、磁場―角度図の広い領域を満たします。信号はスピンが偏極した磁場誘起強磁性相へのメタ磁性転移で突然終端し、磁気トロピック応答の急激なジャンプの大きさはこの一階転移が臨界端点へ向けてどのように進化するかを追跡します。

将来の超伝導体への示唆

これらの測定は長波長で低周波のスピン運動に感度があるため、巨大な横信号はUTe2が零磁場で強磁性体ではないにもかかわらず強烈な強磁性様のゆらぎを示していることを示唆します。これらのゆらぎは、既知の三つの高磁場超伝導相が現れる場所にまさに集中的に存在します。したがって本研究は、メタ磁性境界付近の横方向のスピンゆらぎが電子を一風変わった耐久性のある超伝導状態に対にするのを助けるという図を支持します。専門外の方への要点は、磁性と超伝導は必ずしも敵対関係にあるわけではないということです：適切な条件下では、強磁場下でのスピンの落ち着かない運動が超伝導を破壊するのではなく復活させ、極端な環境で生き残る超伝導体を設計する新たな道を示す可能性がある、ということです。

引用: 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

キーワード: UTe2, 再現入超伝導, 強磁性ゆらぎ, 高磁場, 磁気トロピック感受率