Supraconductivité non conventionnelle réentrante induite par substitution de terres rares dans des films minces Nd1-xEuxNiO2

Pourquoi mélanger les métaux peut améliorer les supraconducteurs

Les supraconducteurs sont des matériaux capables de conduire l’électricité sans perte, ouvrant la voie à des lignes d’alimentation ultra‑efficaces, des aimants puissants et une électronique de nouvelle génération. La plupart des supraconducteurs à haute température découverts à ce jour sont à base de cuivre. Cette étude explore une famille plus récente à base de nickel et montre que remplacer avec soin une portion des atomes par un élément rare magnétique, l’europium, peut non seulement renforcer la supraconductivité mais aussi la faire prospérer sous des champs magnétiques intenses qui la détruiraient normalement.

Les supraconducteurs au nickel sous les projecteurs

Au cours des dernières années, des films minces de nickélates dits « à couche infinie » ont émergé comme des cousins des cuprates dans la quête de la supraconductivité à haute température. Ces matériaux sont constitués de plans empilés de nickel et d’oxygène, avec une couche d’atomes de terres rares comme le néodyme (Nd) intercalée. Des travaux antérieurs suggéraient que, contrairement aux supraconducteurs à base de cuivre, les nickélates présentaient des paires d’électrons faiblement liées, signe d’une supraconductivité relativement modeste. Il était déjà intriguant de constater que changer l’élément de terre rare faisait évoluer le comportement supraconducteur, laissant entendre que la couche d’espacement apparemment innocente joue en réalité un rôle important.

Ajouter de l’europium change la donne

Les auteurs se concentrent sur des films minces de Nd1-xEuxNiO2, dans lesquels une partie des atomes de néodyme est remplacée par de l’europium (Eu). L’europium porte de forts moments magnétiques, ce qui en fait un aimant local puissant à l’intérieur du cristal. L’équipe a cultivé des films ultraminces soigneusement contrôlés avec différentes concentrations en Eu, puis a mesuré comment leur résistance électrique réagissait à la température et à des champs magnétiques très élevés — jusqu’à 60 teslas, bien au‑delà de ce que fournissent les aimants de laboratoire classiques. Plutôt que de voir les champs magnétiques annihiler simplement la supraconductivité, les chercheurs ont observé quelque chose d’étonnant : sur une large plage de champs, l’état supraconducteur était en réalité stabilisé et devenait plus robuste.

Quand le magnétisme protège la supraconductivité

Dans des circonstances ordinaires, un champ magnétique finit par défaire les paires d’électrons qui permettent la supraconductivité, imposant une limite supérieure au‑delà de laquelle le matériau redevient résistif. Dans ces nickélates dopés à l’Eu, cette limite est dépassée de façon spectaculaire. Des mesures détaillées de la résistance en fonction de la température et du champ ont révélé un comportement non monotone : la supraconductivité s’affaiblit à faible champ, puis réapparaît ou se renforce à des champs plus élevés, phénomène connu sous le nom de supraconductivité réentrante. Les auteurs expliquent cela par un effet subtil de compensation magnétique, théorisé depuis longtemps mais rarement observé dans des films minces. Les moments de l’europium s’accouplent de façon antiferromagnétique aux électrons dans les feuillets nickel‑oxygène, créant un champ magnétique interne qui s’oppose au champ appliqué. Lorsque le champ externe polarise les moments d’Eu, leur champ interne annule partiellement le champ ressenti par les électrons supraconducteurs, permettant à la supraconductivité de survivre — et même de s’améliorer — à des champs où elle aurait dû disparaître.

Mesurer la force de l’appariement des électrons

Pour évaluer la force d’appariement des électrons dans ces matériaux, l’équipe a eu recours à la spectroscopie infrarouge, capable de détecter l’énergie nécessaire pour rompre les paires. En comparant la lumière réfléchie par le film au‑dessus et au‑dessous de la température de transition supraconductrice, ils ont extrait la taille du gap supraconducteur. Le gap mesuré dans les films dopés à l’Eu est significativement plus grand que dans des nickélates apparentés dopés au strontium plutôt qu’à l’europium. Rapporté à la température de transition, ce gap se situe dans la même gamme que celle des supraconducteurs en oxyde de cuivre à couplage fort, indiquant que l’interaction d’appariement ici est également inhabituellement robuste. Les données sont cohérentes avec un état de type d‑onde nodal, dans lequel le gap s’annule selon certaines directions, rappelant encore le comportement des cuprates bien étudiés.

Façonner la supraconductivité par substitutions atomiques

Les chercheurs ont combiné leurs expériences avec des calculs quantiques avancés pour montrer que les moments magnétiques de l’europium exercent un champ d’échange important spécifiquement sur les électrons des orbitales de nickel les plus responsables de la supraconductivité. Cette interaction ciblée semble renforcer la force d’appariement et est essentielle à l’effet de compensation par champ magnétique. Parallèlement, la plus petite taille ionique de l’Eu modifie subtilement l’espacement entre les couches nickel‑oxygène, ce qui peut encore favoriser l’appariement. Ensemble, ces effets transforment Nd1-xEuxNiO2 en un supraconducteur non conventionnel à couplage fort dont le comportement contraste nettement avec celui de son homologue dopé au strontium.

Ce que cela signifie pour les supraconducteurs futurs

Concrètement, ce travail montre qu’en choisissant le bon ingrédient magnétique de terre rare, les scientifiques peuvent non seulement augmenter la force de la supraconductivité dans les nickélates, mais aussi la rendre exceptionnellement résistante aux champs magnétiques élevés. Les atomes d’europium agissent comme des aimants internes réglables qui protègent les électrons appariés fragiles au lieu de les détruire. Cet exemple rare de supraconductivité renforcée par champ magnétique dans un film mince met en évidence un principe de conception puissant : utiliser des dopants magnétiques dans les couches d’espacement pour ajuster à la fois la force d’appariement et la réponse de la supraconductivité à des conditions extrêmes. Un tel contrôle pourrait être crucial pour concevoir des supraconducteurs à haute température destinés à des applications réelles.»}

Citation: 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

Mots-clés: supraconducteurs nickelates, dopage à l’europium, supraconductivité renforcée par champ magnétique, effet Jaccarino–Peter, appariement en couplage fort