Реинтрационная нетипичная сверхпроводимость, наведённая замещением редкоземельных элементов в тонких плёнках Nd1-xEuxNiO2

Почему смешение металлов может улучшать сверхпроводники

Сверхпроводники — это материалы, способные проводить электричество без потерь, что обещает сверхэффективные линии электропередачи, мощные магниты и электронику следующего поколения. Большинство открытых до сих пор высокотемпературных сверхпроводников основаны на меди. В этой работе изучается более новая семейство на основе никеля и показано, что аккуратная подмена редкоземельного магнитного элемента — европия — может не только усилить сверхпроводимость, но и позволить ей процветать в сильных магнитных полях, которые обычно её разрушают.

Никелатные сверхпроводники выходят в свет

За последние годы тонкие плёнки так называемых «бесконечно-слоистых» никелатов стали кузенами меди в поисках высокотемпературной сверхпроводимости. Эти материалы состоят из чередующихся слоёв никеля и кислорода, между которыми располагается слой редкоземельных атомов, например неодима (Nd). Ранее было высказано предположение, что в отличие от медесодержащих сверхпроводников, в никелатах электроны образуют лишь слабо связанные пары — признак относительно умеренной силы сверхпроводимости. Любопытно, что замена редкоземельного элемента уже ранее отмечалась как фактор, меняющий поведение сверхпроводимости, что намекало на то, что, казалось бы, безобидный прокладочный слой на самом деле играет важную роль.

Добавление европия меняет ситуацию

Авторы сосредоточились на тонких плёнках Nd1-xEuxNiO2, в которых часть атомов неодима заменена европием (Eu). Европий обладает сильными магнитными моментами, становясь мощным локальным магнитом внутри кристалла. Команда выращивала ультратонкие плёнки с точным контролем концентрации Eu и затем измеряла зависимость их электрического сопротивления от температуры и от очень больших магнитных полей — до 60 тесла, значительно выше возможностей обычных лабораторных магнитов. Вместо того чтобы магнитные поля просто уничтожали сверхпроводимость, исследователи наблюдали поразительный эффект: в широком диапазоне полей сверхпроводящее состояние стабилизировалось и становилось более устойчивым.

Когда магнетизм защищает сверхпроводимость

При обычных условиях магнитное поле в конце концов разрывает пары электронов, обеспечивающих сверхпроводимость, устанавливая верхний предел силы поля, при котором материал возвращается к обычному сопротивлению. В этих никелатах с легированием Eu этот предел оказывается значительно превышен. Подробные измерения сопротивления как функции температуры и поля выявили немонотонное поведение: при низких полях сверхпроводимость ослабляется, а затем при более высоких полях снова появляется или усиливается — явление, известное как реинтрационная сверхпроводимость. Авторы объясняют это тонким эффектом магнитной компенсации, долго теоретически предсказываемым, но редко наблюдаемым в тонких плёнках. Моменты европия сцепляются антиферромагнитно с электронами в никелево-кислородных слоях, создавая внутреннее магнитное поле, противодействующее прикладываемому. По мере поляризации внешним полем моментов Eu их внутреннее поле частично компенсирует поле, действующее на сверхпроводящие электроны, позволяя сверхпроводимости выживать — и даже улучшаться — в полях, при которых она по идее должна была исчезнуть.

Изучение силы связывания электронов в парах

Чтобы выяснить, насколько сильно электроны связаны в этих материалах, команда использовала инфракрасную спектроскопию, которая может обнаружить энергию, необходимую для разрушения пар. Сравнивая отражённый от плёнки свет выше и ниже температуры сверхпроводящего перехода, они выделили величину сверхпроводящего щели. Измеренная щель в плёнках, легированных Eu, заметно больше, чем в родственных никелатах, легированных стронцием вместо европия. В отношении к температуре перехода эта щель попадает в тот же диапазон, что и в сильно связанных медесодержащих сверхпроводниках, что указывает на необычно сильное взаимодействие, приводящее к образованию пар. Данные согласуются с наличием узлового d-волнового типа состояния, при котором щель обнуляется вдоль определённых направлений, что вновь перекликается с поведением хорошо изученных купратов.

Формирование сверхпроводимости посредством атомных замещений

Исследователи сопоставили свои эксперименты с современными квантово-механическими расчётами и показали, что магнитные моменты европия создают заметное обменное поле конкретно для электронов в тех никелевых орбиталях, которые в наибольшей степени ответственны за сверхпроводимость. Это направленное взаимодействие, по-видимому, усиливает силу спаривания и является ключевым для эффекта магнитной компенсации. Одновременно меньший ионный радиус Eu тонко изменяет межслоевые расстояния между никелево-кислородными слоями, что может дополнительно усиливать спаривание. В совокупности эти эффекты превращают Nd1-xEuxNiO2 в сильно связанный, нетипичный сверхпроводник, поведение которого резко контрастирует с его «кузеном» с легированием стронцием.

Что это означает для будущих сверхпроводников

Проще говоря, эта работа демонстрирует, что выбор правильной магнитной редкоземельной добавки позволяет не только усилить сверхпроводимость в никелатах, но и сделать её необычно устойчивой к сильным магнитным полям. Атомы европия действуют как внутренние, настраиваемые магниты, которые защищают хрупкие электронные пары, а не разрушают их. Этот редкий пример усиления сверхпроводимости магнитным полем в тонкой плёнке указывает на мощный принцип проектирования: использование магнитных легирующих добавок в прокладочных слоях для настройки как силы спаривания, так и реакции сверхпроводимости на экстремальные условия. Такое управление может стать решающим для создания будущих высокотемпературных сверхпроводников для практических технологий.

Цитирование: 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

Ключевые слова: никелатные сверхпроводники, легирование европием, усиленная магнитным полем сверхпроводимость, эффект Яккарино–Питера, сильносвязанное купирование