Гигантские поперечные магнитные флуктуации на краю ре-энтрантной сверхпроводимости в UTe2

Почему странные металлы важны

Большинство устройств современной техники используют обычные металлы, которые нагреваются и теряют энергию. Сверхпроводники отличаются: они проводят электричество без сопротивления, но обычно только при особых условиях, и сильные магнитные поля быстро разрушают это состояние. Дителлурид урана (UTe2) нарушает эту закономерность. В этом материале сверхпроводимость таинственно исчезает, а затем снова появляется при экстремально высоких магнитных полях. В работе поставлен простой, но далеко идущий вопрос: какая скрытая магнитность позволяет сверхпроводимости существовать там, где её следовало бы ожидать подавленной?

Сверхпроводник, который возвращается к жизни

UTe2 привлекает большой интерес, поскольку в нём соседствуют несколько различных сверхпроводящих фаз, чувствительных к направлению сильного магнитного поля. По мере нарастания поля обычная сверхпроводимость при малых полях исчезает, как и следовало ожидать. Но при полях около 40 тесла — в сотни тысяч раз сильнее, чем магнит на холодильнике — в окрестности одного кристаллографического направления вновь появляется новое сверхпроводящее состояние. Это ре-энтрантное поведение совпадает с внезапным скачком магнитного момента вещества, известным как метамагнитный переход, при котором электроны сильно выстраиваются вдоль внешнего поля. Понять, что связывает этот магнитный переход с возродившейся сверхпроводимостью, — ключ к разгадке того, как электроны спариваются в UTe2.

В поисках подходящих магнитных колебаний

В родственных урановых соединениях, которые также проявляют индуцированную или усиливаемую полем сверхпроводимость, важную роль играет простой тип магнетизма — ферромагнетизм, при котором спины стремятся выстраиваться в одном направлении. Когда магнитное поле приложено боком к этому предпочтительному направлению, оно может возбуждать сильные поперечные колебания спинов. Теория указывает, что такие поперечные флуктуации могут выступать «клеем», связывающим электроны в спин-триплетные пары — редкую и устойчивую форму сверхпроводимости. Но UTe2 вызывает вопросы: при нулевом поле оно не проявляет ферромагнитного упорядочения, и нейтронное рассеяние скорее фиксирует признаки антиферромагнитного поведения, где соседние спины чередуются. Это порождает дилемму: могут ли флуктуации того типа, которые помогают «сестрам» UTe2, существовать здесь вообще?

Новый способ ощутить скрытое магнитное движение

Чтобы проверить редкую поперечную магнитность в UTe2, исследователи использовали технику, называемую магнетотропной восприимчивостью, которая чувствует, как меняется энергия образца при аккуратном покачивании магнитного поля вокруг фиксированного направления. Крошечный кристалл UTe2 приклеен к концу микроскопического кантилевера, который вибрирует подобно камертона внутри мощного импульсного магнитного поля до 60 тесла. По мере изменения направления и величины поля тонкие магнитные моменты изгибают кантилевер, незначительно смещая его резонансную частоту. Картируя эти сдвиги для многих углов поля в двух плоскостях вращения, команда выделяет отклик на поля, приложенные боком относительно основного направления — величину, которую обычные измерения намагниченности во многом пропускают.

Гигантский боковой отклик на грани перехода

Когда поле выровнено по оси c кристалла, измеренная магнетотропная восприимчивость резко падает около 20 тесла таким образом, который нельзя объяснить изменениями обычной намагниченности вдоль поля. Тщательно вычленяя известный продольный вклад, авторы показывают, что этот провал соответствует огромному росту поперечной магнитной восприимчивости: при высоких полях она становится более чем в тридцать раз большей, чем продольный отклик. По мере наклона поля в сторону оси b этот гигантский поперечный сигнал не только сохраняется, но и усиливается, занимая широкую полосу на диаграмме поле–угол. Он обрывается внезапно при метамагнитном переходе в поле-индуцированную спин-поляризованную ферромагнитную фазу, а величина скачка в магнетотропном отклике отслеживает эволюцию этого первого порядка перехода к критической точке окончания.

Что это значит для будущих сверхпроводников

Поскольку измерения чувствительны к длинноволновому, низкочастотному движению спинов, огромный поперечный сигнал указывает на интенсивные флуктуации ферромагнитного характера, несмотря на то, что UTe2 при нулевом поле не является ферромагнетиком. Эти флуктуации концентрируются именно там, где на диаграмме поле–угол появляются все три известных высокопольных сверхпроводящих фазы. Работа, таким образом, поддерживает картину, в которой боковое «потряхивание» спинов у границы метамагнитного перехода помогает электронам спариваться в необычное, устойчивое сверхпроводящее состояние. Для неспециалистов ключевая идея такова: магнетизм и сверхпроводимость не всегда враждуют — при подходящих условиях беспокойное движение спинов в сильном магнитном поле может восстановить идеальную проводимость, а не уничтожить её, открывая новый путь к созданию сверхпроводников, живущих в экстремальных условиях.

Цитирование: 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

Ключевые слова: UTe2, ре-энтрантная сверхпроводимость, ферромагнитные флуктуации, высокие магнитные поля, магнетотропная восприимчивость