על‑החזרה: על־יתרון לא־קונבנציונלי של מוליכות־על המושרה על‑ידי החלפת יסודי נדירים ב סרטונים דקים של Nd1-xEuxNiO2

מדוע ערבוב מתכות יכול להוביל למוליכי‑על טובים יותר

מוליכי‑על הם חומרים שיכולים לשאת חשמל ללא איבוד, והם מבטיחים קווי חשמל יעילים במיוחד, מגנטים חזקים ואלקטרוניקה לדור הבא. רוב מוליכי‑העל בטמפרטורת‑גבוהה שהתגלו עד היום מבוססים על נחושת. המחקר הזה חוקר משפחה חדשה מבוססת ניטרוגן‑ניקל (ניקלאטים) ומראה שהחלפה מבוקרת של יסוד נדיר־מגנטי, אירופיום, לא רק מחזקת את המוליכות‑על אלא אף מאפשרת לה לשגשג בשדות מגנטיים עצומים שבאופן רגיל היו משמידים אותה.

מוליכי‑על מבוססי ניקל נכנסים למרכז הבמה

בשנים האחרונות עלו סרטים דקים של מה שמכונה «שכבת‑אינסוף» ניקלאטים כאחיות של נחושת במרדף אחרי מוליכות‑על בטמפרטורות גבוהות. חומרים אלה בנויים משכבות חופפות של ניקל וחמצן, עם שכבה של אטומי יסוד נדירים כגון ניאודימיום (Nd) הממוקמת ביניהם. עבודות קודמות רמזו שבשונה ממוליכי‑על מבוססי נחושת, בניקלאטים זוגות האלקטרונים קשורים רק באופן חלש יחסית — סימן לעוצמת מוליכות‑על מתונות. מעניין שידוע שהחלפת היסוד הנדיר משנה כבר את התנהגות המוליכות‑על, מה שמעיד ששכבת המרחיק לכאורה ממלאת תפקיד חשוב.

הוספת אירופיום משנה את התמונה

המחקר מתמקד בסרטים דקים של Nd1-xEuxNiO2, שבהם חלק מאטומי הניאודימיום מוחלפים באירופיום (Eu). לאירופיום יש רגעים מגנטיים חזקים, מה שהופך אותו למגנט מקומי חזק בתוך המבנה. הקבוצה גדלה סרטים אולטרה‑דקים ודרתיים עם ריכוזי Eu שונים ומדדה כיצד ההתנגדות החשמלית משתנה עם הטמפרטורה ובשדות מגנטיים מאוד גדולים — עד 60 טסלה, הרבה מעבר למה שמגנטים רגילים במעבדה מספקים. במקום שהשדה המגנטי יהרוס את המוליכות‑על, החוקרים ראו תופעה בולטת: בטווח רחב של שדות מצב המוליכות‑על אף התייצב והתחזק.

כאשר המגנטיות מגנה על המוליכות‑על

בתנאים רגילים, שדה מגנטי מסוים מפצל בסופו של דבר את זוגות האלקטרונים שמאפשרים מוליכות‑על, וקובע גבול עליון לעוצמת השדה שממנה החומר חוזר להתנגדות נורמלית. בניקלאטים עם דופינג Eu, הגבול הזה מוכפל באופן דרמטי. מדידות מפורטות של התנגדות כפונקציה של טמפרטורה ושדה הראו התנהגות לא‑חד‑כיוונית: המוליכות‑על נחלשת בשדות נמוכים, ואז מופיעה מחדש או מתחזקת בשדות גבוהים יותר — תופעה ידועה כמוליכות‑על חוזרת (re‑entrant). המחברים מסבירים זאת באמצעות אפקט פיצוי מגנטי דק, שתוקף אותו תיאר תיאוריה זמן רב אך נדיר לצפייה בסרטים דקים. רגעי ה‑Eu מקשרים אנטי‑פרומגנטית לאלקטרונים בשכבות ניקל‑חמצן, ויוצרים שדה פנימי שמנוגד לשדה החיצוני. כאשר השדה החיצוני מימות את רגעי Eu, השדה הפנימי שלהם מבטל חלקית את השדה שמרגישים האלקטרונים המוליכי‑על, ומאפשר למוליכות‑העל לשרוד — ואפילו להשתפר — בשדות שבהם היא היתה אמורה להיעלם.

בחינת עוצמת הזיווג של האלקטרונים

כדי לברר עד כמה האלקטרונים בזוג קשורים חזק בחומרים אלה, הצוות פנה לספקטרוסקופיית תת‑אדום, שיכולה למדוד את האנרגיה הנדרשת לפרק את הזוגות. בהשוואת האור המוחזר מהסרט מעל ומתחת לטמפרטורת המעבר למוליכות‑על, הם חילצו את גודל הפער הסופרמולכתי. הפער שנמדד בסרטים בדופינג Eu גדול משמעותית מאשר בניקלאטים קשורים שזוהו עם סטרוניום במקום אירופיום. בהתייחס לטמפרטורת המעבר, פער זה נמצא בטווח דומה למוליכי‑על חמצני‑נחושת בעלי חיזוק חזק, מה שמרמז שאינטראקציית הזיווג כאן גם היא חריגה בחוזקה. הנתונים תואמים מצב דמוי d‑wave עם נקודות קשר (nodal), שבו הפער נעלם בכיוונים מסוימים, שוב מהדהד את התנהגותם של חומרי הקופראטים הנחקרים היטב.

עיצוב המוליכות‑על באמצעות החלפות אטומיות

החוקרים שילבו את הניסויים שלהם עם חישובים קוונטיים מתקדמים כדי להראות שלרגעי המגנטיים של אירופיום יש שדה חילופי משמעותי על האלקטרונים באורביטלים של הניקל האחראיים בעיקר למוליכות‑על. אינטראקציה ממוקדת זו נראית כמגבירה את עוצמת הזיווג והיא חיונית לאפקט הפיצוי המגנטי. במקביל, הגודל היוני הקטן יותר של Eu משנה במעט את המרחק בין שכבות ניקל‑חמצן, דבר שעשוי לחזק את הזיווג עוד יותר. יחד, השפעות אלה ממירות את Nd1-xEuxNiO2 למוליך‑על לא‑קונבנציונלי וחזק הקשור בחוזק, שבאופיו שונה במידה ניכרת משל אחיו המודיפי בסטרוניום.

מה משמעות הדבר עבור מוליכי‑על עתידיים

במילים פשוטות, עבודה זו מראה שבבחירת יסוד נדיר‑מגנטי מתאים ניתן לא רק להגביר את עוצמת המוליכות‑על בניקלאטים אלא גם להפוך אותה לעמידה בצורה יוצאת דופן לשדות מגנטיים חזקים. אטומי האירופיום פועלים כמגנטים פנימיים ניתנים לכוונון שמגינים על זוגות האלקטרונים הרגישים במקום להרוס אותם. הדוגמה הנדירה של חיזוק מוליכות‑על על‑ידי שדה מגנטי בסרט דק מצביעה על עקרון עיצוב עוצמתי: שימוש בדופנטים מגנטיים בשכבות המרחיקות כדי לכוון הן את עוצמת הזיווג והן את תגובת המוליכות‑על לתנאים קיצוניים. שליטה כזו יכולה להיות קריטית למהנדסי מוליכי‑על בטמפרטורות גבוהות לשימושים טכנולוגיים במציאות.

ציטוט: 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

מילות מפתח: מוליכי־על ניקלטים, דופינג באירופיום, מוליכות־על מחוזקת שדה־מגנטי, אפקט יאקארינו‑פטר, זיווג בחיזוק חזק