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Multiple superconducting phases and order-parameter evolution in pressurized UTe $_2$

本研究は、加圧下におけるUTe $_2$ に対するポイントコンタクト分光法を用いてアンドレーエフ束縛状態を同定し、その超伝導秩序パラメータの進化を定量化することで、 $p_z$ 波成分と $p_{x(y)}$ 波成分の相対的な重みの違いによって区別される複数の相を明らかにするものである。

原著者： Shuo Zou, Fengrui Shi, Zhuolun Qiu, Jia-Long Zhang, Yan Zhang, Weilong Qiu, Zhuo Wang, Hai Zeng, Yinina Ma, Zheyu Wu, Andrej Cabala, Michal Valiska, Ning Li, Zihan Yang, Kaixin Ye, Jiawen Zhang, Yanan

公開日 2026-08-25

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CC BY 4.0

原著者： Shuo Zou, Fengrui Shi, Zhuolun Qiu, Jia-Long Zhang, Yan Zhang, Weilong Qiu, Zhuo Wang, Hai Zeng, Yinina Ma, Zheyu Wu, Andrej Cabala, Michal Valiska, Ning Li, Zihan Yang, Kaixin Ye, Jiawen Zhang, Yanan Zhang, Kangjian Luo, Binbin Zhang, Alexander G. Eaton, Chaofan Zhang, Gang Li, Jianlin Luo, Wen Huang, Huiqiu Yuan, Xin Lu, Yongkang Luo

原論文は CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 ✨ これは以下の論文のAI生成解説です。著者が執筆または承認したものではありません。技術的な正確性については原論文を参照してください。免責事項の全文を読む

材料科学の世界において、電気の常識を覆すような挙動を示す物質が存在します。その中でも最も興味深いものの一つが超伝導体であり、これらは電気抵抗を全く伴わずに電流を流すことができる材料です。多くの超伝導体はよく理解されていますが、「スピン三重項超伝導体」として知られる特殊なクラスは依然として謎に包まれています。これらの希少な材料では、電流を形成する電子が通常の方法でペアを作るのではなく、代わりにスピンを平行に整列させ、将来の量子コンピュータに有用なエキゾチック粒子を宿すことが理論的に可能な物質の状態を作り出します。しかし、これらの電子が正確にどのようにペアを組んでいるのかを特定することは困難であり、特に高圧のような極限条件下にある場合には困難を極めます。このような材料の一つである、重い電子系化合物であるUTe2は、この捉えどころのない状態の有力な候補として最近浮上してきましたが、科学者たちはその内部構造や、圧力をかけた際にそれがどのように変化するかを解明することに苦慮してきました。

研究チームは、微小な電気的コンタクトでUTe2を挟み込み、電気の流れを測定しながら、これをより詳細に調査しました。最大1.4ギガパスカルルの静水圧を加えることで、彼らはこの材料の超伝導特性がどのように進化するかを観察することができました。彼らの測定は、明確なシグネチャーを明らかにしました。それは、電圧がゼロの瞬間に現れる電気伝導率の鋭いピークであり、これは材料が超伝導状態にあるときにのみ出現します。このピークは、電子が材料の表面で反射し、エネルギーの定常波を作り出すという、特定の種類の量子挙動を示す決定的な兆候です。この特徴の存在は、電子が単純で均一な球状の相互作用ではなく、特定の方向成分を含む複雑なパターンでペアを組んでいることを強く示唆しています。

研究者が圧力を上昇させると、電気信号の形状は劇的に変化し、この材料が単一の状態に留まるのではなく、複数の異なる超伝導相を経由して移行することを明らかにしました。低圧では、材料は比較的平坦なペアリングパターンに支配された挙動を示します。圧力が約0.3ギガパスカルルの臨界閾値を超えると、信号は中央のピークの両側に新たなディップ（落ち込み）を発現し、これは電子ペアの内部構造がより複雑になっていることを示しています。これらの変化を分析することで、チームは、この材料がSC1、SC2、およびSC3とラベル付けされた少なくとも3つの異なる超伝導相を通過することを突き止めました。これらの相の主な違いは、2種類の異なる電子ペアリング、すなわち「平坦なもの」と「方向性を持つもの」の相対的な重みにあります。最初の相では平坦なペアリングが支配的ですが、圧力が増加するにつれて方向性を持つ成分が強まり、最終的な相においてはそれが主要な駆動力となります。

また、この研究は電子ペアの対称性をめぐる長年の論争にも取り組んでいます。これまでの理論ではいくつかの可能性が示唆されてきましたが、この実験で観察された特定の電気信号のパターンは、その多くを排除しています。データは、電子ペアが移動方向に応じて符号が変化する成分を持つという、特定の数学的対称性を強く指し示しており、この特徴は観察された表面波の形成に不可欠なものです。研究者たちは、2つの非常に類似した対称性のうちどちらが正しいかをまだ絶対的な確信を持って断定することはできませんが、彼らの知見は選択肢を大幅に絞り込み、異なる相を区別するための明確な指紋を提供しています。この研究は、UTE2の性質を解明するだけでなく、他の材料における同様のエキゾチックな状態を特定するための新しい手法を提供し、科学者たちがこれら奇妙で高性能な量子状態を支配する根本的な規則を理解することへの一歩を前進させました。

技術要約：加圧下におけるUTe $_2$ の多重超伝導相と秩序パラメータの進化

問題提起
UTe $_2$ は、パウリ限界を超える上部臨界磁場や高磁場下での再入超伝導など、エキゾチックな特性を示す重い電子スピン三重項超伝導体の有力な候補である。圧力によって複雑な相図（SC1、SC2、SC3の3つの異なる超伝導相）が誘起されるが、これらの状態の根本的な性質は未解決のままである。具体的には、これらの相のペアリング対称性と、圧力に伴う秩序パラメータの進化が不明である。この理解の欠如は、主に極限条件（高圧、極低温）で動作可能な対称性感受性の高い実験的プローブの不在に起因している。秩序パラメータを確定的に特定することは極めて重要である。なぜなら、スピン三重項超伝導体はマヨラナ零モードの潜在的なホストとなり得るが、多くの候補物質（例：Sr $_2$ RuO $_4$ 、UPt $_3$ ）は依然として議論の的となっているからである。

手法
著者らは、点接触分光法（PCS）を用いて、静水圧下におけるUTe $_2$ 単結晶のギャップ構造とアンドレーエフ束縛状態（ABS）を調査した。

試料作製： 高品質な単結晶を溶融ソフトフラックス法を用いて成長させた。化学反応（特にAg-Te）を避けるため、(0 0 1)結晶面上にソフトな点接触接合を製作する際にAuエポキシを使用した。
実験条件： ハイブリッドピストンクランプセルを用い、Daphne 7373オイルを圧力媒体として、 $^3$ He冷凍機システム内で最大約1.8 GPaまでの測定を行った。磁場は $a$ 軸方向に印加した。
理論的枠組み： 実験による微分コンダクタンス（ $G_{NS}$ ）データは、拡張されたブロンダー・ティンケラーク・クラーピック（BTK）モデルを用いて解析された。このモデルは、スピン三重項ペアリングチャネル（ $\Phi_1, \Phi_0, \Phi_{-1}$ ）を考慮し、接合障壁強度（ $Z$ ）、ダイネス（Dynes）広がり係数（ $\Gamma$ ）、およびギャップ振幅（ $\Delta$ ）に基づいてコンダクタンススペクトルを計算する。解析では、ギャップ関数の符号変化に敏感なゼロエネルギー・アンドレーエフ束縛状態（ZABS）の形成を標的とした。

主な結果

ゼロエネルギー・アンドレーエフ束縛状態（ZABS）の観測： 常圧および低圧（SC1領域）において、(0 0 1)面上でゼロバイアス・コンダクタンスピーク（ZBCP）が観測された。温度および磁場に対するこのピークの安定性と、弾道的輸送特性（ $l/d \sim 8$ ）は、外因的な起源（加熱や磁気散乱）を排除している。 (0 0 1)面上でのZABSの存在は、 $k_z$ に対して符号が変化するギャップ関数の成分、すなわち $p_z$ 波成分の存在を強く示唆している。
圧力によるスペクトルの進化： 圧力が0.3 GPaを超えて増加するにつれ（SC2およびSC3領域への進入）、スペクトルの特徴は著しく進化した：
- 0.6 GPaでは、ZBCPの両側にディップが現れた。
- 1.0 GPaでは、ダブルディップ構造が出現した。
- 1.4 GPa（磁気相境界付近）では、中央のピークが大幅に広がり、平坦な頂部を持つようになった。
対称性の決定： 拡張BTKモデルを用いた定量的フィッティングにより、超伝導秩序パラメータは $B_{2u}$ $B_{2 u}$ または $B_{3u}$ $B_{3 u}$ 既約表現（IR）に属することが示された。
- 純粋な $p_x$ または $p_y$ ペアリングでは、ZBCPやサイドディップを説明できない。
- $A_u$ ペアリングは通常、ピークを分裂させるか、データを一致させるために大きな広がりを必要とするが、これは観察された鋭い特徴と矛盾する。
- $B_{1u}$ ペアリングは、サイドディップを生じさせるために必要な $k_z$ の符号変化を欠いている。
- $B_{2u}$ および $B_{3u}$ モデルは、有限の奇数 $k_z$ 成分が存在する場合、ZBCPおよびサイドディップ構造を捉えることに成功した。
秩序パラメータの進化： $p_z$ $p_{z}$ 波と $p_{x(y)}$ $p_{x (y)}$ 波の相対的な重みを、比率 $\langle \Delta_z \rangle / \langle \Delta_{x(y)} \rangle$ $⟨ Δ_{z} ⟩ / ⟨ Δ_{x (y)} ⟩$ として定義することで、超伝導相を区別するパラメータとした：
- SC1 (低圧): $p_{x(y)}$ ペアリングが支配的であり、 $\langle \Delta_z \rangle / \langle \Delta_{x(y)} \rangle \approx 0.57$ である。
- SC2/SC3 (高圧): $p_z$ 成分が劇的に増加する。0.6 GPaでこの比率は $\approx 1.03$ に達し、1.2 GPaでは $\approx 1.30$ に達し、 $p_z$ の支配を示している。
- 相転移： 固定圧力（例：0.8 GPa）におけるこの比率の温度依存性は、1.5 K付近で極小値を持つ非単調な挙動を示す。この極小値は、バルク熱力学測定によって決定されたSC2-SC3境界と一致しており、これがクロスオーバーではなく真の相転移であることを示唆している。

意義および主張
本論文は、加圧下におけるUTe $_2$ の多重超伝導相の存在に関する、最初の対称性感受的な分光学的な証拠を提供したと主張している。 $p_z$ 成分の存在を特定し、 $B_{2u}$ （または $B_{3u}$ ）を最も可能性の高いペアリング対称性と確立することで、本研究はUTe $_2$ の理論モデルに対して厳格な制約を与えている。

決定的なことに、著者らは $\langle \Delta_z \rangle / \langle \Delta_{x(y)} \rangle$ がSC1、SC2、およびSC3の各相を区別するための堅牢なパラメータであると提案している。データは、SC1が $p_{x(y)}$ 優位であり、SC3が $p_z$ 優位であることを示唆しており、SC2とSC3の間の転移は、追加の秩序パラメータ成分（おそらく $B_{2u}$ と $B_{3u}$ の重ね合わせ）の凝縮を伴う可能性がある。1.4 GPa付近でのスペクトルの異常な広がりは、磁気量子臨界点に関連していると推測されているが、著者らはこれにはさらなる確認が必要であると述べている。

総じて、本研究はUTe $_2$ を、圧力チューニング下で絡み合った電子秩序を研究するための典型的な系として確立しており、この材料におけるトポロジカル超伝導の調査に向けた不可欠な分光学的シグネチャーを提供している。

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