電子が通常衝突してエネルギーを失う世界で、超伝導体は電子を抵抗なく動かすことを可能にする。しかし二テルル化ウランにおいて、科学者たちは予想外のものを発見した。電子対の秩序立った波が、材料が超伝導状態を失った後でさえも保たれているのだ。
超伝導は、電子がクーパー対を形成し、結晶格子を損失なく通過する極低温で生じる。通常の材料では、これらの対は相転移の際に厳密に現れる。しかし、2,1ケルビン以下で超伝導体となる二テルル化ウランでは、クーパー対が繰り返しの空間的模様——対密度波——を形成する。
このような波は2007年にすでに予測されていたが、超伝導相の外での存在を直接証明するものはなかった。イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の研究者たちは、ベクトル磁場を備えた走査型トンネル顕微鏡と高品質の材料試料を用いた。彼らは、温度と磁場に対して対密度波の理論が予測するまさにその通りに反応する、特徴的な電子モードを記録した。
最も驚くべきは、これらのモードが超伝導の臨界点を明らかに上回る温度でも保たれることだ。物理学者エドゥアルド・フラドキンは、それらをチェシャ猫の笑み——相そのものが消えた後に残る痕跡——に例えた。これは材料がより高い温度でも超伝導体のままでいることを意味するものではないが、クーパー対が基底状態とは独立に組織化された形で存在しうることを示している。
二テルル化ウランは、希少なスピン三重項超伝導体と考えられている点でも興味深い。その中の電子対は固有の磁気的配向を持つ。対密度波の観測は、こうした異常な対がどのように形成されるのか、そしてなぜそれらが古典的な超伝導体とは異なる振る舞いをするのかを理解する助けとなる。
この発見は、物理学者たちを非従来型超伝導の仕組みの解明に近づけ、より高い温度で動作する材料の創出への道を示すかもしれない。これらの中間状態を理解することは、エネルギー効率の高い送電網から量子コンピューターに至るまでの将来の技術にとって重要である。
対密度波は、超伝導が単なるオンとオフではなく、今や直接研究できる中間段階を伴う複雑な過程であることを示している。
