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　走査型SQUID顕微鏡は局所的な磁束を絶対値で観測することができる非常に強力でユニークな走査型磁気プローブである。特に光測定などの他の磁場測定方法に比べて試料との相互作用がほとんどないため自発的な磁性発現の探求に適している。我々の研究目的はこの測定手法を利用し、カイラル超伝導や共存した磁気秩序を持つ磁性超伝導体における自発磁性を解き明かすことである。

[1] Y. Iguchi et al., Physical Review B 103, L220503 (2021). [Letter]
[2] Y. Iguchi et al., Physical Review Letters 130, 196003 (2023). [SIMES Research Highlight]
[3] H. Man, Y. Iguchi, et al., Nano Letters 24, 9082 (2024).

カイラル超伝導候補物質URu$_2$Si$_2$における超伝導相と共存した強磁性相の観測

    カイラル超伝導は非従来型超伝導体が自発的に時間反転対称性を破る角運動量を得る非常に興味深い量子現象である。これは非自明なトポロジカル状態であり表面もしくは欠陥付近に自発的なトポロジカルモード（例えばカイラルエッジカレントやマヨラナゼロモード）を持つと期待される。マヨラナゼロモードの観測はいくつかの超伝導体で報告されているが、カイラル超伝導については未だ決定的な証拠は報告されていない。 

   重い電子系超伝導体URu$_2$Si$_2$はカイラル（超伝導ギャップにノードを持つ時間反転対称性が破れた）超伝導の候補物質であり、また超伝導相と共存する隠れた秩序相の研究が長年に渡って精力的に行われてきた。しかし、ノード構造やカイラリティについては試料の質に依存しているため、本質的な超伝導状態については不明確である。本研究では、URu$_2$Si$_2$における自発的な磁性、局所超流動密度を観測するため、走査型SQUID顕微鏡を用いてミクロン単位でゼロ磁場下の磁束、低磁場による反磁性応答を測定した。[1]

    ２つのサンプルで超伝導相（$T_{SC}$=1.5 K）と共存する強磁性ドメイン（$T_{FM}$=16.1 K）を観測した。だが、強磁性ドメインから十分離れた超伝導相においてカイラル超伝導で期待させる自発的磁化は観測されなかった。この結果は、URu$_2$Si$_2$はカイラリティを持たないか検出可能な自発磁化を導かないことを示唆している。

カイラル超伝導候補物質UTe$_2$におけるゼロ磁場付近における渦糸-反渦糸の観測

UTe$_2$は新しく発見された奇パリティ超伝導体である。一部の試料では自発的な時間反転対称性の破れや多重超伝導転移が常圧下でも観測されており、カイラル超伝導状態の発現を示唆している。この自発磁性を明らかにするために我々は走査型SQUID顕微鏡を利用して常圧下、低磁場中で渦糸の直接的観測[2]を行った。

一様な磁場中冷却により作られた渦糸は１方向にそろってピン止めされていた。この直線的にピン止めされた渦糸は、結晶軸に沿ったナノメートルスケールのステップエッジなど、線状の異常が存在することを示している。またゼロ磁場付近でもピン止めされた渦糸と反渦糸を試料中心部付近に観測した。この渦糸密度から見積もった磁場と外部磁場の間にはゼロ磁場付近で強磁性のような特性が見られた。この結果は0.01-0.02 Gの隠れた内部磁場の存在を示唆している。

らせん磁性超伝導体RbEuFe$_4$As$_4$における磁気揺らぎによる超流動密度の局所的減少の観測

我々の研究は、特に非従来型超伝導体における超伝導性と強磁性の興味深い共存と相互作用に動機づけられています。AndersonとSuhlによる理論的予測では、磁気秩序の波長が超伝導磁場侵入長より短ければ、不均一な磁気相が$s$波超伝導性と共存できるとされていますが、既知の材料では転移温度が低いため実験的な調査が制限されていました。鉄系超伝導体、特にEuを含む1144型超伝導体ファミリーの発見により、これらの現象を探求する新たな道が開かれました。私たちの研究は、らせん磁性超伝導体RbEuFe$_4$As$_4$における超伝導性と強磁性の興味深い共存と相互作用について調べました。[3]

走査型SQUID顕微鏡を用いて、この物質のその場での磁束($\Phi$)及び帯磁率($\chi$)をマイクロメートルスケールの空間分解能でイメージングしました。（下の動画を参照）解析結果からこの物質の反磁性(Meissner応答)および強磁性応答についてそれぞれ異なる温度・場所で得ることができました。磁気相転移温度($T_m$)近くで超流動密度の顕著な抑制を観察し、これはEuスピンとFe 3$d$伝導電子間の磁気散乱の増強に起因すると考えられます。このことは、超伝導に対する磁気ゆらぎの強い影響を示しています。予想される理想的ならせん磁気相とは対照的に、$T_m$以下で複数の強磁性ドメインを確認し、これはEuスピンの傾斜効果による弱い$c$軸強磁性成分を示唆しています。これらのドメインの形成は、ドメインMeissnerやドメイン渦-反渦相などの超伝導駆動現象の可能性を示しています。