【本学研究者情報】

〇金属材料研究所　教授　青木大
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【発表のポイント】

• 通常、超伝導は磁場に弱く、強磁場中では超伝導状態は壊されてしまいます。強い磁場中でも安定な超伝導体を開発することは、超伝導線材や超伝導量子デバイスの開発において重要な課題となっています。
• ウランを含む超伝導体ウランテルル化物(化学式UTe₂)では、むしろ強磁場中で超伝導が安定化し、その結果、超伝導が壊れる磁場の値（＝臨界磁場）が従来の理論値の10倍にも達することが発見されていました。
• 今回、物質内部をミクロな視点で調べることができる核磁気共鳴(NMR)法を用いて、高い臨界磁場を実現する超伝導のメカニズムを探りました。
• その結果、強い磁場をかけることで物質内の磁気的ゆらぎが増大し、それによって超伝導を生み出す電子対の結合が強まり、高い臨界磁場が実現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、スピン三重項超伝導⁽¹⁾の候補物質であるウラン系超伝導体において強磁場⁽²⁾中での核磁気共鳴(NMR)実験⁽³⁾を行い、高い臨界磁場⁽⁴⁾を示す超伝導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、新しいスピン三重項超伝導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、臨界磁場は従来の理論値よりも10倍も高い35テスラにも達します。

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、高い臨界磁場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鳴(NMR)法による測定を行いました。その結果、磁場をかけることによって物質内の磁気的な揺らぎが、ちょうど超伝導が安定化し始める15テスラ付近から急激に増大することを発見しました。このことは磁気的な揺らぎの増大によって超伝導を形成する電子対の引力⁽⁶⁾が増加し、それによって超伝導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臨界磁場を持つ超伝導体が開発できると期待されます。高い臨界磁場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（注目論文）として掲載されました。

【用語解説】

（１）スピン三重項超伝導
通常の超伝導は、電子スピンを打ち消し合うように「電子対」を作って起きます(一重項超伝導)。スピン三重項超伝導体とは、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）強磁場
通常の実験室にある超伝導マグネットでは、15テスラ程度の磁場しか発生できず、UTe₂の超伝導特性を調べるには不十分です。本研究では36テスラまでの強磁場を発生できるフランス国立強磁場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）核磁気共鳴(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鳴画像法(MRI)はこのNMRの原理を応用したものです。

（４）臨界磁場
超伝導状態を破壊してしまう磁場の値のこと。外部からの磁場が臨界磁場を超えると超伝導状態は壊されてしまいます。通常、臨界磁場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、超伝導転移温度10Kに対し、臨界磁場は約15テスラで、理論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)の強さは約0.25テスラとなっています。

（６）超伝導を形成する電子対の引力
超伝導状態においては、電子二つが対を組んでいますが、対を作るには2つの電子を結びつける引力が必要となります。通常の超伝導体では、物質中の格子の揺らぎ(格子振動)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論的に示されています。

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学金属材料研究所
教授　青木大
TEL:029-267-3181　
E-mail:dai.aoki.c2*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（報道に関すること）
国立大学法人東北大学
金属材料研究所
情報企画室広報班　
TEL：022-215-2144
E-mail:press.imr*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）