Nd1-xEuxNiO2薄膜における希土類置換により誘起される再入的非従来型超伝導性

なぜ金属を混ぜるとより良い超伝導体になりうるのか

超伝導体は電気を損失なく運ぶことができ、超高効率の送電線、強力な磁石、次世代エレクトロニクスを実現する可能性を秘めています。これまで発見された高温超伝導体の多くは銅に基づくものです。本研究はニッケルを主成分とする新しい系を調べており、磁性を持つ希土類元素ユーロピウムを慎重に置換することで、超伝導性を強化するだけでなく、通常なら破壊されるはずの強い磁場下でも超伝導が持続するようになることを示しています。

ニッケル系超伝導体が注目を浴びる

ここ数年、「無限層」ニッケレートの薄膜は、高温超伝導を求めるうえで銅系の従兄弟として注目を集めています。これらの材料はニッケルと酸素の積層シートから構成され、その間にネオジム（Nd）などの希土類原子層が挟まれています。以前の研究では、銅系とは異なりニッケレートでは比較的弱く結合した電子対しか見られないとされ、超伝導の強さは控えめと考えられていました。興味深いことに、希土類元素を変えることで超伝導挙動が変わることが既に知られており、いわば無害に思われた間隔層が実は重要な役割を果たしていることを示唆していました。

ユーロピウムの添加が状況を変える

著者らはNd1-xEuxNiO2薄膜に着目し、ネオジムの一部をユーロピウム（Eu）で置換した系を調べました。ユーロピウムは強い磁気モーメントを持ち、結晶内部で強力な局所磁石として振る舞います。研究チームは異なるEu濃度の超薄膜を精密に成長させ、温度および標準実験室の磁石をはるかに超える最大60テスラという非常に大きな磁場に対する電気抵抗の応答を測定しました。磁場が単純に超伝導を消すどころか、驚くべきことに広い磁場範囲で超伝導状態が安定化し、より堅牢になることが観察されました。

磁性が超伝導を守るとき

通常、磁場はやがて超伝導を支える結合電子対を引き裂き、材料が通常抵抗に戻る上限磁場を設定します。しかしこれらのEuドープニッケレートでは、その限界が劇的に超えられます。温度と磁場に対する抵抗の詳細な測定は非単調な挙動を示しました：低い磁場で超伝導が弱まり、より高い磁場で再び現れあるいは強化されるという再入的超伝導として知られる現象です。著者らはこれを、理論的には長く予測されてきたが薄膜では稀にしか観測されない微妙な磁気補償効果で説明します。ユーロピウムの磁気モーメントはニッケル–酸素層中の電子と反強磁性的に結合し、外部磁場に対して反対向きの内部磁場を作り出します。外部磁場がEuモーメントを配向させると、その内部場が超伝導電子が感じる実効磁場を部分的に打ち消し、通常なら消えるはずの高磁場でも超伝導が生き残り、むしろ改善することを可能にします。

電子対の結合強度を探る

電子がどの程度強く対を成しているかを調べるため、チームは赤外分光を用いて対を壊すのに必要なエネルギーを検出しました。超伝導転移温度の上下で薄膜から反射される光を比較することで、超伝導ギャップの大きさを抽出しました。Euドープ薄膜で測定されたギャップは、ユーロピウムの代わりにストロンチウムをドープした関連ニッケレートに比べて有意に大きかったのです。転移温度に対する相対値で見ると、このギャップは強結合の銅酸化物超伝導体と同じ範囲に入り、ここでも対形成相互作用が異常に強いことを示唆します。データはギャップが特定の方向で消える節点を持つd波様のノード状態と整合し、よく研究されたクプラト材料の挙動を再び反映しています。

原子置換で超伝導を形作る

研究者らは実験結果を先進的な量子力学計算と組み合わせ、ユーロピウムの磁気モーメントが超伝導に最も関与するニッケル軌道の電子に対して有意な交換場を及ぼすことを示しました。この選択的な相互作用が対形成の強化に寄与し、磁場補償効果に不可欠であるようです。同時に、Euの小さいイオン半径はニッケル–酸素層間の間隔を微妙に変化させ、これがさらに対形成を促す可能性があります。これらの効果が合わさって、Nd1-xEuxNiO2はストロンチウムドープ系とは大きく異なる挙動を示す強結合の非従来型超伝導体へと変貌します。

将来の超伝導体にとっての意味

平たく言えば、本研究は適切な磁性希土類を選ぶことで、ニッケレートの超伝導強度を高めるだけでなく、強い磁場に対して異常に耐性を持たせることができることを示しています。ユーロピウム原子は壊しに来るのではなく、繊細な結合電子対を保護する内部の調節可能な磁石として働きます。薄膜で磁場により強化される超伝導が観測された稀な例は、隔離層に磁性ドーパントを用いて対形成の強さと極限条件下での超伝導の応答を同時に調整するという強力な設計原理を示唆します。このような制御は、実用的な高温超伝導体を設計するうえで重要となる可能性があります。

引用: 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

キーワード: ニッケレート超伝導体, ユーロピウムドーピング, 磁場により強化される超伝導, ジャカリーノ–ピーター効果, 強結合対形成