Clear Sky Science · ja
反強磁性に支えられた奇数パリティ超伝導の証拠 — 重いフェルミオン金属 YbRh2Si2 における発見
特殊な超伝導に転じる奇妙な金属
ほとんどの超伝導体はすでにエキゾチックに聞こえます：非常に低温で抵抗なしに電気を流します。しかし、トポロジカル超伝導体と呼ばれるさらに稀な一群は、将来的に堅牢な量子技術の構成要素を提供する可能性があります。本研究では、研究者らが複雑な重金属化合物 YbRh2Si2 を絶対零度に数千分の一度上の温度まで冷却し、その内部磁性に密接に結びついた稀な種類の超伝導を宿している証拠を見出しました。
この物質が特異である理由
YbRh2Si2 は重いフェルミオン金属と呼ばれる物質群に属し、強い相互作用のために電子が通常よりも何百倍も重く振る舞います。非常に低温では、この化合物は繊細な反強磁性を示し、隣り合う原子の磁気モーメントが反対方向に整列します。以前の測定はこの奇妙な環境で超伝導が現れることを示唆していましたが、抵抗のない電流を可能にする対形成の本質は不明瞭で、超伝導信号は微弱かつ試料依存でした。
超低温で電流の応答を聴く
何が起きているかを明らかにするため、研究チームは 10 ミリケルビン以下の温度で微小単結晶の電気応答を超高感度に測定する手法を開発しました。彼らは超伝導量子干渉素子（SQUID）を用いて、温度や磁場を変化させたときの抵抗と誘導的効果の両方を捉える複素電気インピーダンスを調べました。これらの測定により、試料内部の領域が通常状態と超伝導状態の間で切り替わる鋭い境界が明らかになり、結晶面内または結晶軸方向に印加する磁場の関数として複数の超伝導状態をマップできるようになりました。 
助け手であり門番でもある磁性
得られた相図は、YbRh2Si2 の超伝導が物質が磁気秩序を持つ場合にのみ安定であることを示しています。主要な反強磁性状態（AFM1 と呼ばれる）が印加磁場によって破壊されると、超伝導も急激に消失します。さらに低温では、電子スピンと核スピンの双方が波状パターンで並ぶ第二の磁気配列が現れます。特筆すべきは、この電気—核スピン密度波の出現が、電子の運動誘導（キネティックインダクタンス）の降下や超伝導が破壊される磁場スケールの上昇として観測される急激な超伝導応答の増強をもたらす点です。
超伝導対の種類への手がかり
臨界温度が磁場にどのように依存するかを追跡することで、研究者らは超伝導が電子スピンの整列によって制限される場合（パウリ限界として知られる）を見分けることができました。試料内のいくつかの超伝導領域は結晶面内に印加された磁場に対してこの限界に従いますが、他の領域ははるかにそれを超えて生き残ります。この選択的な振る舞いは、クーパー対が互いに向かい合うのではなくスピンが整列したスピン三重項状態にあることを強く示唆します。磁場依存のパターンはとりわけ、結晶軸方向の磁場には鈍感で結晶面内の磁場には敏感な、いわゆるヘリカル状態というトポロジカルな超伝導相を指し示しています。
磁気波が対を強める仕組み
電気—核磁気秩序が出現したときに超伝導が急に強化される現象を説明するために、著者らはヘリカル超伝導状態がペア密度波と呼ばれる随伴するパターンに結合すると提案します。この描像では、磁気波が電子対を回折し、系のエネルギーを下げ実効的に超伝導ギャップを深める空間的に変調したパートナー状態を生成します。すでにヘリカル状態を宿す結晶の領域はそれによって強化され、一方で他の領域は電気—核秩序が成立するちょうどその温度で超伝導へと傾くのです。 
将来の量子材料にとっての意義
総合すると、実験は YbRh2Si2 が二つの絡み合ったタイプの反強磁性秩序によって存在と強度が制御される奇数パリティのスピン三重項超伝導を宿すという強い証拠を提供します。ある超伝導相は、液体ヘリウム3で長く研究されてきた相の近縁であるトポロジカルなヘリカル状態の特徴に合致します。現状では超伝導は脆弱で空間的に不均一ですが、この物質は磁性とトポロジカルな対形成を並行して調べられる稀で調整可能なプラットフォームを提供し、試料制御の改善が将来、この系をエキゾチックな量子状態の実用的な宿主にする可能性を秘めています。
引用: Levitin, L.V., Knapp, J., Knappová, P. et al. Evidence for odd-parity superconductivity underpinned by antiferromagnetism in heavy-fermion metal YbRh2Si2. Nat. Phys. 22, 713–719 (2026). https://doi.org/10.1038/s41567-026-03247-x
キーワード: トポロジカル超伝導, スピン三重項対形成, 重いフェルミオン金属, 反強磁性, ペア密度波