ウラン系超伝導体の超純良単結晶で新しい超伝導状態を発見東北大学と原子力機構

東北大学は2023年5月12日、日本原子力研究開発機構（原子力機構）と共同で、トポロジカル超伝導物質候補の、ウラン化合物であるウランテルル化物（UTe₂）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たと発表した。

UTe₂は、ゼロ磁場から徐々に磁場をかけると、通常の超伝導体と同様に低磁場超伝導状態ではなくなり、超伝導転移温度が下がっていく。しかし、さらに15テスラ以上の強い磁場をかけると超伝導転移温度が上昇し、高磁場超伝導と呼ばれる状態で安定する。

上記の性質を持つため、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されてきた。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るが、これまで低磁場超伝導状態から高磁場超伝導状態へ、どのように超伝導状態が移行していくのかが分かっていなかった。

今回、以前に同研究チームが開発した、UTe₂の超純良単結晶の育成方法によって作製した超純良単結晶を使って、磁場や温度を変えながら超伝導の性質を詳しく調べた。その結果、低磁場超伝導と高磁場超伝導の間に、両者が入り混じった新たな超伝導状態が存在することを発見した。

今回の研究では、同大学が開発した高磁場25テスラまで発生させることができる無冷媒超伝導磁石を用いて行われた。一般的な超伝導磁石は、15テスラ程度の磁場しか発生させることができないが、この無冷媒超伝導磁石を用いることで十分な調査が可能になった。

今回の研究結果は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だ。また、今回発見した混合超伝導状態を含め、低磁場および高磁場のさまざまな超伝導状態を制御する方法を発見できれば、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可能性があるという。

ウラン系超伝導体の超純良単結晶で新しい超伝導状態を発見　東北大学と原子力機構