Supercondutividade não convencional reentrante induzida por substituição de terras-raras em filmes finos de Nd1-xEuxNiO2

Por que misturar metais pode produzir supercondutores melhores

Supercondutores são materiais que conduzem eletricidade sem perdas, prometendo linhas de energia ultraeficientes, ímãs potentes e eletrônica de próxima geração. A maioria dos supercondutores de alta temperatura descobertos até agora é baseada em cobre. Este estudo explora uma família mais nova feita a partir de níquel e mostra que substituir cuidadosamente um elemento magnético de terras-raras, o európio, pode não só fortalecer a supercondutividade como também permitir que ela prospere sob campos magnéticos intensos que normalmente a destruiríam.

Os supercondutores de níquel ganham destaque

Nos últimos anos, filmes finos de nicelatos chamados de “camada infinita” surgiram como parentes do cobre na busca por supercondutividade de alta temperatura. Esses materiais são formados por folhas empilhadas de níquel e oxigênio, com uma camada de átomos de terras-raras como neodímio (Nd) intercalada. Trabalhos anteriores sugeriam que, ao contrário dos supercondutores à base de cobre, os nicelatos exibiam pares de elétrons fracamente ligados, um sinal de força supercondutora relativamente modesta. Intrigantemente, já se sabia que trocar o elemento de terras-raras alterava o comportamento supercondutor, indicando que a camada espaçadora supostamente inocente desempenha na verdade um papel importante.

Adicionar európio muda o jogo

Os autores enfocam filmes finos de Nd1-xEuxNiO2, nos quais alguns átomos de neodímio são substituídos por európio (Eu). O európio possui momentos magnéticos fortes, tornando-se um potente ímã local dentro do cristal. A equipe cresceu filmes ultrafinos, cuidadosamente controlados, com diferentes concentrações de Eu e mediu como sua resistência elétrica responde à temperatura e a campos magnéticos muito grandes — até 60 tesla, bem além do que ímãs laboratoriais padrão fornecem. Em vez de os campos magnéticos simplesmente aniquilarem a supercondutividade, os pesquisadores observaram algo impressionante: em uma ampla faixa de campos, o estado supercondutor foi estabilizado e se tornou mais robusto.

Quando o magnetismo protege a supercondutividade

Em circunstâncias normais, um campo magnético acaba rompendo os pares de elétrons que viabilizam a supercondutividade, estabelecendo um limite superior para a intensidade do campo antes que o material retorne à resistência normal. Nesses nicelatos dopados com Eu, esse limite é dramaticamente superado. Medidas detalhadas da resistência em função da temperatura e do campo revelaram um comportamento não monótono: a supercondutividade enfraquece em campos baixos, depois reaparece ou se fortalece em campos mais altos — um fenômeno conhecido como supercondutividade reentrante. Os autores explicam isso por um efeito sutil de compensação magnética, há muito teorizado mas raramente observado em filmes finos. Os momentos do európio acoplam-se antiferromagneticamente aos elétrons nas camadas de níquel-oxigênio, criando um campo magnético interno que se opõe ao aplicado. À medida que o campo externo polariza os momentos de Eu, seu campo interno cancela parcialmente o campo sentido pelos elétrons supercondutores, permitindo que a supercondutividade sobreviva — e até melhore — em campos onde ela deveria ter desaparecido.

Investigando a força do pareamento de elétrons

Para descobrir quão fortemente os elétrons estão pareados nesses materiais, a equipe recorreu à espectroscopia no infravermelho, que pode detectar a energia necessária para quebrar os pares. Ao comparar a luz refletida pelo filme acima e abaixo da temperatura de transição supercondutora, extraíram o tamanho da lacuna supercondutora. A lacuna medida em filmes dopados com Eu é significativamente maior do que em nicelatos relacionados dopados com estrôncio em vez de európio. Expressa em relação à temperatura de transição, essa lacuna se situa na mesma faixa dos supercondutores de óxido de cobre fortemente acoplados, indicando que a interação de pareamento aqui também é incomumente forte. Os dados são consistentes com um estado do tipo d-wave com nós, no qual a lacuna desaparece em certas direções, novamente ecoando o comportamento dos bem estudados cupratos.

Modelando a supercondutividade com substituições atômicas

Os pesquisadores combinaram seus experimentos com cálculos quânticos avançados para mostrar que os momentos magnéticos do európio exercem um campo de troca considerável especificamente sobre os elétrons nos orbitais de níquel mais responsáveis pela supercondutividade. Essa interação direcionada parece intensificar a força do pareamento e é essencial para o efeito de compensação por campo magnético. Ao mesmo tempo, o menor tamanho iônico do Eu altera sutilmente o espaçamento entre as camadas níquel-oxigênio, o que pode aumentar ainda mais o pareamento. Juntos, esses efeitos transformam Nd1-xEuxNiO2 em um supercondutor não convencional e fortemente acoplado cujo comportamento contrasta fortemente com o de seu homólogo dopado com estrôncio.

O que isso significa para futuros supercondutores

Em termos simples, este trabalho mostra que, ao escolher o ingrediente magnético de terras-raras adequado, os cientistas podem não apenas aumentar a força da supercondutividade em nicelatos, como também torná-la extraordinariamente resiliente a campos magnéticos fortes. Os átomos de európio atuam como ímãs internos ajustáveis que protegem os frágeis elétrons pareados em vez de destruí‑los. Este raro exemplo de supercondutividade reforçada por campo magnético em um filme fino aponta para um princípio de projeto poderoso: usar dopantes magnéticos nas camadas espaçadoras para ajustar tanto a força do pareamento quanto a forma como a supercondutividade responde a condições extremas. Esse controle pode ser crucial para a engenharia de futuros supercondutores de alta temperatura para aplicações no mundo real.

Citação: 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

Palavras-chave: supercondutores nicelatos, dopagem com európio, supercondutividade reforçada por campo magnético, efeito Jaccarino-Peter, pareamento de forte acoplamento