超伝導の常識を覆す発見―スピン三重項超伝導体だけがもつ特別な性質―

　松村拓輝 理学研究科博士課程学生、高橋侑希 同修士課程学生（研究当時）、松林陸 同修士課程学生、金城克樹 同博士課程学生（現：東北大学助教）、北川俊作 同准教授、石田憲二 同教授の研究グループ（理学研究科物理学・宇宙物理学専攻物理学第一教室）は、徳永陽 日本原子力研究開発機構研究主席のグループ、青木大 東北大学教授のグループ、佐々木孝彦 同教授のグループとの共同研究から、スピン三重項超伝導体特有の性質を明らかにしました。

　超伝導状態は、2つの電子がペアを組むクーパー対と呼ばれる状態の量子力学的な波動状態として理解されます。電子にはスピンの自由度があるのでクーパー対もスピンの自由度を持つことが可能ですが、今まで発見されたほとんどの超伝導体はスピンの自由度をもたないスピン一重項超伝導とよばれる状態です。一方で、スピンの自由度をもつ状態はスピン三重項超伝導体とよばれ、様々な角度から研究がなされてきましたが、現在に至るまで候補となる超伝導体の観測例は非常に少なく、また超伝導転移温度の低さや極限環境下で見られるなどの理由で、スピン三重項超伝導体の理解は進んできませんでした。

　研究グループは、スピン三重項超伝導体UTe₂の純良単結晶において、超伝導のスピンの状態を東北大学金属材料研究所が開発した世界最高峰の無冷媒超伝導磁石を使って24テスラまで精密に測定し、超伝導状態のスピン磁化率が常伝導状態の値と同じになると、超伝導が強固になる性質を発見しました。通常のスピン一重項超伝導体では、スピン磁化率が常伝導状態の値になると、超伝導は壊れます。したがって、今回明らかになった振舞いは、スピン三重項超伝導体がもつスピン一重項超伝導にはない性質であり、UTe₂がスピン三重項超伝導体であることを決定づける結果と言えます。

　本研究成果は、2026年3月10日に、国際学術誌「Physical Review B」にオンラインに掲載され、同誌の「Editors' Suggestion」（注目論文）に選出されました。

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磁場をc軸に印可した時の超伝導臨界磁場H_c2（黄丸）の温度依存性。背景の色はc軸方向のナイトシフトの振舞いを示す。低磁場ではナイトシフトが超伝導状態で減少している。5テスラ以上ではナイトシフトの減少はほとんど見られなくなっているが、この磁場からH_c2の傾きが変わっていることがわかる。この結果はスピン磁化率が常伝導とほぼ同じになると、超伝導状態がより強固になることを表す。図中のイラストは超伝導対のスピンの振舞いを示す。