【本学研究者情報】

〇金属材料研究所　准教授　木俣基
研究室ウェブサイト

【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。）金属材料研究所の木俣基准教授、淡路智教授、佐々木孝彦教授、青木大教授らと共同で、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⁽¹⁾トポロジカル超伝導体⁽²⁾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⁽³⁾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⁽⁴⁾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⁽⁵⁾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。

【用語解説】

(1)スピン三重項超伝導
通常の超伝導では、電子スピンを打ち消し合うように「電子ペア」を作って起きます。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「電子ペア」を起こす超伝導体です。1996年および2003年ノーベル物理学賞は、液体ヘリウム3の超流動においてスピン三重項の「原子ペア」に関する実験的、および理論的解明に対して与えられています。 一方、その固体における対応としてスピン三重項超伝導体探索が精力的に続けられています。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)トポロジカル超伝導体
超伝導が起きると電子ペア状態が起こるために、通常の電子状態との間に、エネルギーギャップが開きます。トポロジカル超伝導体では、物質内部ではこのようなギャップが開いている一方、物質表面において、ギャップが閉じた状態が現れると理論的に予想されています。このような特異な表面電子状態は、まだ実験的に存在が確認されておらず、世界中で物質探索や表面状態検出のための実験がなされています。

(3)量子コンピュータへの応用
量子コンピュータは、従来のコンピュータとは異なり、量子力学の原理を利用して計算を行うもので、高速でエネルギー効率の高い計算が可能です。しかし、量子ビットは非常にデリケートであり、外部からの影響を受けやすいため、エラーが発生しやすくなっています。スピン三重項トポロジカル超伝導体は、そのようなエラーを回避するための素材として期待されています。

(4)UTe₂の超純良単結晶
2022年7月29日プレスリリース（国立研究開発法人日本原子力研究開発機構）「身近な塩で超純良ウラン超伝導物質の育成に成功！--次世代量子コンピュータへの応用に期待--」を参照ください。

(5)無冷媒超伝導磁石25T-CSM
通常の超伝導磁石は、液体ヘリウムを用いて磁石を極低温に冷却する必要があります。無冷媒磁石では、冷凍機を用いて冷却するため液体ヘリウムを必要としません。東北大学金属材料研究所附属強磁場超伝導材料研究センターが開発した25T-CSMと名づけられた無冷媒超伝導磁石は、高温銅酸化物超伝導体を用いることで、無冷媒としては世界最高の磁場を発生することができます。長時間安定して精密磁場を発生できる特徴を活かして、高精度測定などに威力を発揮します。

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
准教授 木俣 基（きまた もとい）
TEL：022-215-2018
E-mail：motoi.kimata.b4*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（報道に関すること）
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）