ウラン系超伝導体はなぜ磁場に強い？ ―超伝導を強くする磁気揺らぎの観測に成功―

2023年11月30日 10:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇金属材料研究所　教授　青木大

【発表のポイント】

通常、超伝导は磁场に弱く、强磁场中では超伝导状态は壊されてしまいます。强い磁场中でも安定な超伝导体を开発することは、超伝导线材や超伝导量子デバイスの开発において重要な课题となっています。
ウランを含む超伝导体ウランテルル化物(化学式UTe₂)では、むしろ强磁场中で超伝导が安定化し、その结果、超伝导が壊れる磁场の値（＝临界磁场）が従来の理论値の10倍にも达することが発见されていました。
今回、物质内部をミクロな视点で调べることができる核磁気共鸣(NMR)法を用いて、高い临界磁场を実现する超伝导のメカニズムを探りました。
その结果、强い磁场をかけることで物质内の磁気的ゆらぎが増大し、それによって超伝导を生み出す电子対の结合が强まり、高い临界磁场が実现していることがわかりました。

【概要】

国立研究開発法人日本原子力研究開発機構（理事長：小口正範、以下「原子力機構」という。）先端基礎研究センター強相関アクチノイド科学研究グループの徳永陽グループリーダーらは、国立大学法人东北大学（総長：大野英男、以下「東北大学」という。）金属材料研究所の青木大教授、国立大学法人京都大学（総長：湊長博、以下「京都大学」という。）理学研究科の石田憲二教授らと共同で、スピン叁重项超伝导⁽¹⁾の候补物质であるウラン系超伝导体において强磁场⁽²⁾中での核磁気共鸣(NMR)実験⁽³⁾を行い、高い临界磁场⁽⁴⁾を示す超伝导のメカニズムを解明しました。

ウランテルル化物（UTe₂）は、2019年に米国の研究グループによって初めて超伝導が報告され、以来、新しいスピン叁重项超伝导体の候補物質として国際的な注目を集めています。通常の超伝導体では、強い磁場がかかると超伝導が壊されるのですが、UTe₂は15テスラ⁽⁵⁾以上の強い磁場で逆に超伝導が安定化し、高磁場超伝導と呼ばれる新しい超伝導が出現します。その結果、临界磁场は従来の理論値よりも10倍も高い35テスラにも达します。

今回、徳永グループリーダーらの研究チームは、磁場によって超伝導が安定化し、高い临界磁场が実現するメカニズムを解明すべく、物質内部の電子状態をミクロな視点で探ることができる核磁気共鸣(NMR)法による测定を行いました。その结果、磁场をかけることによって物质内の磁気的な揺らぎが、ちょうど超伝导が安定化し始める15テスラ付近から急激に増大することを発见しました。このことは磁気的な揺らぎの増大によって超伝导を形成する电子対の引力⁽⁶⁾が増加し、それによって超伝导が安定化していることを示しています。

今回の研究は、物質の持つ磁性と超伝導の密接な関係を明らかしたものです。その原理の応用によって、今後、ウラン系以外の化合物でもより高い临界磁场を持つ超伝導体が開発できると期待されます。高い临界磁场を持つ超伝導体の開発は、高性能の超伝導線材や超伝導を使った量子デバイスの開発にとって重要であり、超伝導技術の応用分野を拡げることに繋がります。

この研究成果は、2023年11月29日に米国物理学会誌「Physical Review Letters」のオンライン版にEditors' Suggestion（注目论文）として掲载されました。

【用语解説】

（１）スピン叁重项超伝导
通常の超伝导は、电子スピンを打ち消し合うように「电子対」を作って起きます(一重项超伝导)。スピン叁重项超伝导体とは、電子スピンを打ち消し合わずに「電子対」を起こす超伝導体です。その候補物質は数少ないのですが、ウラン化合物超伝導体が多く含まれ、最有力候補として研究されています。

（２）强磁场
通常の実験室にある超伝导マグネットでは、15テスラ程度の磁场しか発生できず、UTe₂の超伝导特性を调べるには不十分です。本研究では36テスラまでの强磁场を発生できるフランス国立强磁场研究所の強力な電磁石マグネットを用いて実験を行いました。

（３）核磁気共鸣(NMR)実験
原子核の磁気的な性質（原子核スピン）を利用して、原子核位置にはたらく電子に起因する磁性を測定することにより電子状態をミクロな視点から評価する実験手法です。医療で使う核磁気共鸣画像法(MRI)はこのNMRの原理を応用したものです。

（４）临界磁场
超伝導状態を破壊してしまう磁場の値のこと。外部からの磁場が临界磁场を超えると超伝導状態は壊されてしまいます。通常、临界磁场は超伝導の転移温度が高い超伝導体ほど高くなることが理論的に見出されています。超伝導線材として一般的なニオブチタン(NbTi)合金では、超伝导転移温度10Kに対し、临界磁场は約15テスラで、理论値とほぼ同じ値となっています。

（５）テスラ
磁場の強さを表す単位。理科の実験などで使う棒磁石(アルニコ磁石)の强さは约0.25テスラとなっています。

（６）超伝导を形成する电子対の引力
超伝导状态においては、电子二つが対を组んでいますが、対を作るには2つの电子を结びつける引力が必要となります。通常の超伝导体では、物质中の格子の揺らぎ(格子振动)によって引力が生じていますが、磁気的な揺らぎを媒介とした引力も可能であることが理论的に示されています。

详细（プレスリリース本文）