プレスリリース・研究成果

新・超伝導状態: ウラン系超伝導体の超純良単結晶で発見 ―磁場によって性格を変える超伝導―

2023/05/15

発表のポイント

  • ウラン化合物であるウランテルル化物(化学式UTe2)は、トポロジカル超伝導体と呼ばれる新しいタイプの超伝導体の候補物質です。
  • ゼロ磁場から磁場をかけてゆくと、低磁場超伝導状態は壊されて超伝導転移温度が下がってゆくのですが、さらに15テスラ以上の磁場をかけると逆に超伝導転移温度が上昇して、高磁場超伝導と呼ばれる状態が安定化します。しかしながら、磁場によって、低磁場超伝導状態がどのように高磁場超伝導状態に移り変わってゆくのかはわかっていませんでした。
  • 我々は昨年、超伝導性能が格段に向上するUTe2の超純良単結晶の育成方法を開発しました。今回、この超伝導転移温度が向上した単結晶を用いて、磁場や温度を変えながら、超伝導の性質を精密に調べました。その結果、低磁場超伝導状態と高磁場超伝導状態との間に、両者が入り混じった新しい超伝導状態が存在することを発見しました。
  • 低磁場・高磁場・その混合超伝導状態のように、多彩な超伝導状態を制御する方法を見出すことができれば、次世代量子コンピュータ用の新しい超伝導量子デバイスの開発につながると期待されています。

概要 

国立大学法人東北大学(総長:大野英男、以下「東北大学」という。)金属材料研究所の木俣基准教授、淡路智教授、佐々木孝彦教授、青木大教授は、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酒井宏典研究主幹、徳永陽グループリーダーらと共同で、スピン三重項トポロジカル超伝導物質候補であるウラン化合物において、低磁場超伝導状態と高磁場超伝導状態との間に、両者が入り混じった新しい超伝導状態が存在することを発見しました。

ウランテルル化物 (化学式UTe2) は、米国の研究グループが2019年に超伝導を報告して以来、国際的に大きな注目を集めています。この物質に、ゼロ磁場から磁場をかけてゆくと、通常の超伝導体と同様に、低磁場超伝導状態は壊されて超伝導転移温度が下がってゆくのですが、さらに15テスラ以上の磁場をかけると逆に超伝導転移温度が上昇して、高磁場超伝導と呼ばれる状態が安定化します。しかしながら、磁場によって、低磁場超伝導状態がどのように高磁場超伝導状態に移り変わってゆくのかはわかっていませんでした。

このように磁場に強い超伝導を示すためUTe2は、新しいタイプのスピン三重項トポロジカル超伝導体の候補として考えられるようになりました。このタイプの超伝導体は、次世代量子コンピュータへの応用が期待されています。しかし、磁場によって、低磁場超伝導状態がどのように高磁場超伝導状態に移り変わってゆくのかはわかっていませんでした。

我々は昨年、超伝導性能が格段に向上するUTe2の超純良単結晶の新しい育成方法を開発しました。本研究ではこの超純良単結晶を用い、磁場や温度を変えながら、超伝導の性質を精密に調べました。その結果、低磁場の超伝導と高磁場の超伝導との間に、両者が入り混じった新しい超伝導状態が存在することを発見しました。単結晶の超伝導転移温度が上昇したことが実験成功の鍵で、東北大学金属材料研究所が開発した世界最高の磁場を発生できる無冷媒超伝導磁石を用いて精密な実験が初めて可能となりました。

本研究は、UTe2がスピン三重項トポロジカル超伝導体であることを裏付けるものです。低磁場・高磁場・その混合超伝導状態のように、多彩な超伝導状態を制御する方法を見出すことができれば、次世代量子コンピュータ用の新しい超伝導量子デバイスの開発につながると期待されています。

本研究の成果は、2023年5月12日(米国時間)に米国物理学会誌「Physical Review Letters」にオンライン掲載されました。

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