Re-entrante ongebruikelijke supergeleiding geïnduceerd door zeldzame-aard-substitutie in Nd1-xEuxNiO2 dunne films

Waarom het mengen van metalen betere supergeleiders kan opleveren

Supergeleiders zijn materialen die elektriciteit zonder verlies kunnen geleiden, met beloftes voor ultra-efficiënte stroomlijnen, krachtige magneten en elektronica van de volgende generatie. De meeste tot nu toe ontdekte hoogtemperatuursupergeleiders zijn gebaseerd op koper. Deze studie verkent een nieuwere familie op basis van nikkel en laat zien dat het zorgvuldig vervangen van een zeldzaam-aardelement door een magnetisch element, europium, niet alleen de supergeleiding kan versterken maar deze zelfs kan laten gedijen onder intense magnetische velden die die normaal gesproken zouden vernietigen.

Nickel-supergeleiders in de schijnwerpers

In de afgelopen jaren zijn dunne films van de zogeheten “infinite-layer” nickelaten naar voren gekomen als neven van koper in de zoektocht naar hoogtemperatuursupergeleiding. Deze materialen zijn opgebouwd uit gestapelde lagen nikkel en zuurstof, met een laag zeldzame-aarde-atomen zoals neodymium (Nd) ertussen. Eerder onderzoek suggereerde dat nickelaten, in tegenstelling tot koper-gebaseerde supergeleiders, slechts zwak gebonden elektronenparen tonen, wat wijst op relatief bescheiden supergeleidende sterkte. Intrigerend is dat het wijzigen van het zeldzame-aarde-element al bekend stond als manier om het supergeleidende gedrag te veranderen, wat hint dat die ogenschijnlijk onschuldige tussenlaag eigenlijk een belangrijke rol speelt.

Europium toevoegen verandert het spel

De auteurs richten zich op dunne films van Nd1-xEuxNiO2, waarin sommige neodymiumatomen zijn vervangen door europium (Eu). Europium draagt sterke magnetische momenten en werkt daardoor als een krachtige lokale magneet in het kristal. Het team groeide ultradunne, zorgvuldig gecontroleerde films met verschillende Eu-concentraties en mat vervolgens hoe hun elektrische weerstand reageerde op temperatuur en op zeer grote magnetische velden—tot 60 tesla, ver boven wat standaard laboratoriummagneten bieden. In plaats van dat magnetische velden gewoonlijk de supergeleiding wegvaagden, observeerden de onderzoekers iets opvallends: over een breed veldbereik werd de supergeleidende toestand juist gestabiliseerd en robuuster.

Wanneer magnetisme supergeleiding beschermt

Onder normale omstandigheden scheurt een magnetisch veld uiteindelijk de gepaarde elektronen uit elkaar die supergeleiding mogelijk maken, waardoor er een bovengrens ontstaat voor de veldsterkte waarna het materiaal weer normale weerstand vertoont. In deze met Eu gedopeerde nickelaten wordt die grens dramatisch overschreden. Gedetailleerde weerstandmetingen als functie van temperatuur en veld onthulden een niet-monotoon gedrag: supergeleiding verzwakt bij lage velden, en verschijnt dan opnieuw of versterkt bij hogere velden, een verschijnsel dat bekendstaat als re-entrante supergeleiding. De auteurs verklaren dit met een subtiel magnetisch compensatie-effect, lang theoretisch voorspeld maar zelden gezien in dunne films. De Eu-momenten koppelen antiferromagnetisch aan de elektronen in de nikkel-zuurstoflagen en creëren een interne magnetische veldcomponent die het aangelegde veld tegenwerkt. Naarmate het externe veld de Eu-momenten polariseert, compenseert hun interne veld gedeeltelijk het veld dat de supergeleidende elektronen voelen, waardoor supergeleiding kan voortbestaan—en zelfs verbeteren—bij velden waar ze normaal verdwenen zou zijn.

Het meten van de sterkte van elektronenparing

Om te achterhalen hoe sterk elektronen in deze materialen gepaard zijn, gebruikte het team infraroodspectroscopie, waarmee de energie kan worden gedetecteerd die nodig is om paren te verbreken. Door het gereflecteerde licht van de film boven en onder de supergeleidende overgangstemperatuur te vergelijken, bepaalden ze de grootte van de supergeleidende gap. De gap die ze in Eu-gedopeerde films maten is aanzienlijk groter dan in verwante nickelaten die met strontium in plaats van europium zijn gedopeerd. Uitgedrukt ten opzichte van de overgangstemperatuur valt deze gap in hetzelfde bereik als sterk gekoppelde koper-oxide supergeleiders, wat aangeeft dat de paringsinteractie hier ook ongewoon sterk is. De gegevens zijn consistent met een nodale d-golf–achtige toestand, waarbij de gap in bepaalde richtingen wegvalt, wat opnieuw echo’s oproept van het gedrag van goed bestudeerde cupraten.

Supergeleiding vormgeven met atomaire substituties

De onderzoekers combineerden hun experimenten met geavanceerde kwantummechanische berekeningen om aan te tonen dat de magnetische momenten van europium een aanzienlijke wisselveldaanvoer (exchange field) uitoefenen, specifiek op de elektronen in de nikkelorbitalen die het meest verantwoordelijk zijn voor supergeleiding. Deze gerichte interactie lijkt de paringssterkte te vergroten en is essentieel voor het magnetisch-veldcompensatie-effect. Tegelijkertijd verandert de iets kleinere ionische grootte van Eu subtiel de afstand tussen de nikkel-zuurstoflagen, wat de paring verder kan versterken. Gezamenlijk transformeren deze effecten Nd1-xEuxNiO2 in een sterk gekoppelde, ongebruikelijke supergeleider waarvan het gedrag fel contrasteert met dat van zijn met strontium gedopeerde verwant.

Wat dit betekent voor toekomstige supergeleiders

In gewone bewoordingen laat dit werk zien dat door het kiezen van het juiste magnetische zeldzaam-aarde-ingrediënt, wetenschappers niet alleen de sterkte van supergeleiding in nickelaten kunnen opvoeren, maar deze ook ongewoon bestand kunnen maken tegen sterke magnetische velden. De europiumatomen fungeren als interne, instelbare magneten die de fragiele gepaarde elektronen beschermen in plaats van ze te vernietigen. Dit zeldzame voorbeeld van door magneetveld versterkte supergeleiding in een dunne film wijst op een krachtig ontwerpsprincipe: het gebruik van magnetische dopanten in de tussenlagen om zowel de paringssterkte als de reactie van supergeleiding op extreme omstandigheden te sturen. Dergelijke controle kan cruciaal zijn voor het ontwerpen van toekomstige hoogtemperatuursupergeleiders voor reële toepassingen.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: nickelaat-supergeleiders, europium-doping, door magneetveld versterkte supergeleiding, Jaccarino-Peter-effect, sterk-koppelingsparing