UTe2中重现超导边缘的巨大发电横向磁波动

为何“奇异金属”重要

现代技术中大多数设备依赖的是会发热并浪费能量的普通金属。超导体则不同：它们可以无电阻传导电流，但通常只在非常特殊的条件下存在，强磁场很快会破坏它们。二碲化铀（UTe2）违背了这一趋势。在这种材料中，超导性在极高磁场下神秘地消失又重现。本研究提出了一个看似简单但影响深远的问题：是什么样的隐藏磁性，使得超导在原本应该被强烈抑制的条件下依然得以存在？

复生的超导体

UTe2引起了广泛关注，因为它包含多个互相不同的超导相，这些相对强磁场的方向非常敏感。当磁场增大时，常见的低场超导会像预期那样消失。但在约40特斯拉的磁场——比冰箱磁铁强数十万倍——附近，会在绕某一晶轴的一圈方向范围内重现一种新的超导态。这种重现行为与材料磁矩的突变同时发生，称为磁跃迁（metamagnetic transition），在此处电子被强烈地与外加磁场对齐。理解这一磁性跃变如何与复生的超导相关，对于解码UTe2中电子如何成对至关重要。

寻找合适的磁性摆动

在其他一些也表现出磁场诱导或磁场增强超导的铀化合物中，一种被称为铁磁性的简单磁性形式起了关键作用——在铁磁中自旋倾向于朝同一方向排列。当外加磁场横向施加到该优选方向时，会激发出强烈的横向自旋摆动。理论工作表明，这些横向涨落可以作为将电子结合成自旋三重态对的“粘合剂”，这是一种稀有且稳健的超导形式。但UTe2令人费解：在零场下它并不表现为铁磁有序，中子散射反而观测到反铁磁的特征，即相邻自旋交替排列。这就引出一个疑问：被认为有助于其“近亲”的那类涨落在这里是否存在？

一种感知隐藏磁性的新方法

为探测UTe2中难以捉摸的横向磁性，研究者使用了一种称为磁回转顺应率（magnetotropic susceptibility）的技术，该方法感知当磁场围绕固定方向轻微摆动时材料能量的变化。一块微小的UTe2晶体被粘在微型悬臂梁的末端，悬臂梁像音叉一样在高达60特斯拉的强脉冲磁场中振动。随着磁场方向和强度的变化，细微的磁力矩使悬臂梁弯曲，稍微改变其固有共振频率。通过在两个不同的旋转平面上对许多磁场角度映射这些频率变化，团队得以分离出材料对施加在主场方向侧向磁场的响应——这是普通磁化测量大多无法探测到的量。

跃迁边缘的巨幅横向响应

当磁场与晶体的c轴对齐时，测得的磁回转顺应率在约20特斯拉附近急剧下坠，这种变化无法用沿场方向的常规磁化变化来解释。通过仔细分离出已知的纵向贡献，作者显示该下跌反映出横向磁顺应率的巨大增长：在高场下它变得比纵向响应大三十倍以上。当磁场倾向b轴时，这个巨大的横向信号不仅持续存在，还在增强，覆盖了场-角图中一大片区域。它在进入自旋极化的磁场诱导铁磁相的磁跃迁处突然终止，而磁回转响应突变的大小则追踪该一阶跃迁如何向临界端点演化。

对未来超导体的意义

由于这些测量对长波长、低频的自旋运动敏感，巨大的横向信号指向强烈的类铁磁涨落，即便UTe2在零场下并非铁磁体。这些涨落恰好聚集在场-角图中所有三种已知高场超导相出现的区域。因此这项工作支持这样一种图景：在磁跃迁边界附近的横向自旋摆动有助于电子配对，形成一种不同寻常且耐受性强的超导态。对非专科读者而言，关键信息是：磁性与超导并非总是对立的——在恰当条件下，强磁场中自旋的躁动反而可以帮助恢复完美导电，而不是将其摧毁，为在极端环境中幸存的超导体设计提供了一条新路径。

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

关键词: UTe2, 重现超导, 铁磁波动, 高磁场, 磁回转顺应率