Superconductividad no convencional reentrante inducida por sustitución de tierras raras en películas delgadas Nd1-xEuxNiO2

Por qué mezclar metales puede mejorar los superconductores

Los superconductores son materiales que pueden conducir electricidad sin pérdidas, con potencial para líneas de energía ultraeficientes, potentes imanes y la próxima generación de electrónica. La mayoría de los superconductores de alta temperatura descubiertos hasta ahora se basan en cobre. Este estudio explora una familia más reciente formada por níquel y muestra que, al reemplazar con cuidado un elemento raro magnético, el europio, no solo se puede reforzar la superconductividad, sino incluso hacer que prospere bajo campos magnéticos intensos que normalmente la destruirían.

Los superconductores de níquel toman el protagonismo

En los últimos años, películas delgadas de los llamados nickelatos de “capa infinita” han surgido como los parientes del cobre en la búsqueda de superconductividad de alta temperatura. Estos materiales se construyen a partir de láminas apiladas de níquel y oxígeno, con una capa de átomos de tierras raras como el neodimio (Nd) intercalada. Trabajos anteriores sugirieron que, a diferencia de los superconductores a base de cobre, los nickelatos mostraban parejas de electrones débilmente ligadas, un indicio de una fuerza superconductora relativamente modesta. De forma intrigante, ya se sabía que cambiar el elemento de tierras raras alteraba el comportamiento superconductivo, lo que apunta a que la supuestamente inocua capa espaciadora desempeña en realidad un papel importante.

Añadir europio cambia las reglas

Los autores se centran en películas delgadas de Nd1-xEuxNiO2, en las que algunos átomos de neodimio son reemplazados por europio (Eu). El europio posee momentos magnéticos fuertes, lo que lo convierte en un potente imán local dentro del cristal. El equipo creció películas ultrafinas y cuidadosamente controladas con distintas concentraciones de Eu y luego midió cómo respondía su resistencia eléctrica a la temperatura y a campos magnéticos muy intensos —hasta 60 tesla, muy por encima de lo que proporcionan los imanes de laboratorio estándar. En lugar de que los campos magnéticos simplemente anulen la superconductividad, los investigadores observaron algo sorprendente: en un amplio rango de campos, el estado superconductivo se estabilizaba y se volvía más robusto.

Cuando el magnetismo protege la superconductividad

En circunstancias normales, un campo magnético acaba rompiendo las parejas de electrones que permiten la superconductividad, estableciendo un límite superior a la intensidad del campo por encima del cual el material vuelve a la resistencia normal. En estos nickelatos dopados con Eu, ese límite se supera de forma dramática. Mediciones detalladas de la resistencia en función de la temperatura y del campo revelaron un comportamiento no monotónico: la superconductividad se debilita a campos bajos y luego reaparece o se fortalece a campos más altos, un fenómeno conocido como superconductividad reentrante. Los autores explican esto mediante un sutil efecto de compensación magnética, teorizado desde hace tiempo pero rara vez observado en películas delgadas. Los momentos del europio se acoplan antiferromagnéticamente a los electrones en las capas de níquel‑oxígeno, creando un campo magnético interno que se opone al aplicado. A medida que el campo externo polariza los momentos de Eu, su campo interno cancela parcialmente el campo que perciben los electrones superconductores, lo que permite que la superconductividad sobreviva —e incluso mejore— en campos donde debería haber desaparecido.

Sondeando la fuerza del emparejamiento electrónico

Para determinar cuán fuertemente están emparejados los electrones en estos materiales, el equipo recurrió a la espectroscopía infrarroja, que puede detectar la energía necesaria para romper las parejas. Comparando la luz reflejada por la película por encima y por debajo de la temperatura de transición superconductora, extrajeron el tamaño de la brecha superconductora. La brecha medida en las películas dopadas con Eu es significativamente mayor que en nickelatos relacionados dopados con estroncio en lugar de europio. Expresada en relación con la temperatura de transición, esta brecha cae en el mismo rango que los superconductores de óxidos de cobre de fuerte acoplamiento, lo que indica que la interacción de emparejamiento aquí también es inusualmente fuerte. Los datos son consistentes con un estado tipo d‑wave con nodos, en el que la brecha se anula en ciertas direcciones, nuevamente evocando el comportamiento de los bien estudiados cupratos.

Moldeando la superconductividad mediante sustituciones atómicas

Los investigadores combinaron sus experimentos con cálculos cuánticos avanzados para mostrar que los momentos magnéticos del europio ejercen un campo de intercambio considerable específicamente sobre los electrones en los orbitales de níquel más responsables de la superconductividad. Esta interacción dirigida parece reforzar la fuerza de emparejamiento y es esencial para el efecto de compensación del campo magnético. Al mismo tiempo, el tamaño iónico menor de Eu altera sutilmente el espaciado entre las capas de níquel‑oxígeno, lo que puede intensificar aún más el emparejamiento. En conjunto, estos efectos transforman a Nd1-xEuxNiO2 en un superconductor no convencional de fuerte acoplamiento cuyo comportamiento contrasta marcadamente con su homólogo dopado con estroncio.

Qué implica esto para futuros superconductores

En términos sencillos, este trabajo muestra que, al elegir el ingrediente magnético de tierras raras adecuado, los científicos pueden no solo aumentar la fuerza de la superconductividad en los nickelatos, sino también hacerla inusualmente resistente a campos magnéticos intensos. Los átomos de europio actúan como imanes internos y ajustables que protegen a los delicados electrones emparejados en lugar de destruirlos. Este raro ejemplo de superconductividad realzada por campo magnético en una película delgada apunta a un principio de diseño potente: usar dopantes magnéticos en las capas espaciadoras para ajustar tanto la fuerza de emparejamiento como la respuesta de la superconductividad a condiciones extremas. Tal control podría ser crucial para diseñar superconductores de alta temperatura aplicables en tecnologías del mundo real.

Cita: Vu, D., Lee, H., Nicoletti, D. et al. Re-entrant unconventional superconductivity induced by rare-earth substitution in Nd_1-xEu_xNiO₂ thin films. Nat Commun 17, 3480 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70254-0

Palabras clave: superconductores de nickelato, dopaje con europio, superconductividad realzada por campo magnético, efecto Jaccarino‑Peter, emparejamiento de fuerte acoplamiento