Encontrei a causa raiz pela qual minha pesquisa não usou a chave de fragmentação. É tudo sobre o agrupamento.

A chave de fragmentação sempre usa collation : { locale : "simple" } para fazer uma comparação binária, enquanto no meu caso minha coleção e índices são projetados para usar "collation" : { "locale" : "en_US", "strength" : 2 } .

Depois de redesenhar minha coleção sem nenhum agrupamento, agora está tudo bem.