Återinträffande okonventionell supraledning inducerad av sällsynta jordarts-substitution i Nd1-xEuxNiO2 tunnfilmer

Varför blandning av metaller kan ge bättre supraledare

Supraledare är material som kan leda elektricitet utan förluster och lovar extremt effektiva kraftledningar, kraftfulla magneter och nästa generations elektronik. De flesta höghtemperatursupraledare som hittills upptäckts baseras på koppar. Denna studie utforskar en nyare familj gjord av nickel och visar att noggrant utbyte mot ett magnetiskt sällsynt jordartsmetall, europium, inte bara kan stärka supraledningen utan till och med låta den blomstra under intensiva magnetfält som normalt skulle förstöra den.

Nickel‑supraledare hamnar i strålkastarljuset

Under de senaste åren har tunnfilmer av så kallade ”oändliga skikt” nickelater framträtt som kopparens kusiner i jakten på höghtemperatursupraledning. Dessa material byggs upp av staplade skikt av nickel och syre, med ett lager av sällsynta jordartsatomer såsom neodym (Nd) insprängt däremellan. Tidigare arbete antydde att, till skillnad från kopparbaserade supraledare, uppvisade nickelater endast svagt bundna elektronpar, ett tecken på relativt blygsam supraledningsstyrka. Intressant nog var det redan känt att byte av den sällsynta jordartsatomen förändrar supraledningsbeteendet, vilket antyder att det till synes oskyldiga spacerlagret faktiskt spelar en viktig roll.

Att tillsätta europium förändrar spelplanen

Författarna fokuserar på tunnfilmer av Nd1-xEuxNiO2, där en del av neodymatomerna ersätts av europium (Eu). Europium bär starka magnetiska moment och fungerar som en kraftfull lokal magnet inne i kristallen. Teamet växte ultratunna, noggrant kontrollerade filmer med olika Eu‑koncentrationer och mätte sedan hur deras elektriska resistans svarade på temperatur och mycket stora magnetfält — upp till 60 tesla, långt bortom vad vanliga laboratoriemagneter kan åstadkomma. Istället för att magnetfält helt enkelt kväver supraledningen observerade forskarna något anmärkningsvärt: över ett brett fältintervall stabiliserades supraledningstillståndet och blev mer robust.

När magnetism skyddar supraledning

I normala omständigheter sliter ett magnetfält så småningom isär de parade elektroner som möjliggör supraledning och sätter en övre gräns för hur starkt fältet kan vara innan materialet återgår till normal resistans. I dessa Eu‑dopade nickelater överträds den gränsen dramatiskt. Detaljerade mätningar av resistans som funktion av temperatur och fält visade ett icke‑monotont beteende: supraledningen försvagas vid låga fält, för att sedan återuppstå eller stärkas vid högre fält — ett fenomen känt som återinträffande (re‑entrant) supraledning. Författarna förklarar detta med en subtil effekt av magnetisk kompensation, länge teoretiserad men sällan sedd i tunnfilmer. Europiummomenten kopplar antiferromagnetiskt till elektronerna i nickel‑syre‑skikten och skapar ett internt magnetfält som motverkar det applicerade fältet. När det yttre fältet polariserar Eu‑momenten, delvis släcker deras interna fält det fält som supraledande elektroner känner, vilket gör att supraledningen kan överleva — och till och med förbättras — vid fält där den annars borde ha försvunnit.

Undersöka styrkan i elektronparningen

För att ta reda på hur starkt elektronerna är parade i dessa material använde teamet infraröd spektroskopi, som kan detektera den energi som krävs för att bryta paren. Genom att jämföra det reflekterade ljuset från filmen ovanför och under supraledningens övergångstemperatur kunde de avläsa storleken på supraledningsgapet. Gapet de mätte i Eu‑dopade filmer är avsevärt större än i närbesläktade nickelater dopade med strontium istället för europium. Uttryckt i förhållande till övergångstemperaturen ligger detta gap i samma intervall som starkt kopplade koppar‑oxid‑supraledare, vilket indikerar att parningsinteraktionen här också är ovanligt stark. Data är förenliga med ett nodalt d‑vågs‑liknande tillstånd, där gapet går mot noll längs vissa riktningar — vilket återigen speglar beteendet hos välstuderade cuprater.

Forma supraledning med atomära substitutioner

Forskarna kombinerade sina experiment med avancerade kvantmekaniska beräkningar för att visa att europiums magnetiska moment utövar ett betydande utbytesfält specifikt på elektroner i de nickelorbitaler som mest ansvarar för supraledningen. Denna riktade interaktion verkar öka parningsstyrkan och är avgörande för effekten med magnetfältskompensation. Samtidigt förändrar Eu:s mindre jonstorlek subtilt avståndet mellan nickel‑syre‑skikten, vilket möjligen ytterligare förbättrar parningen. Tillsammans omvandlar dessa effekter Nd1-xEuxNiO2 till en starkt kopplad, okonventionell supraledare vars beteende står i skarp kontrast till dess strontiumdopade kusin.

Vad detta betyder för framtida supraledare

Enkelt uttryckt visar detta arbete att genom att välja rätt magnetiskt sällsynt jordartsinslag kan forskare inte bara öka supraledningsstyrkan i nickelater utan också göra den ovanligt motståndskraftig mot starka magnetfält. Europiumatomerna fungerar som interna, justerbara magneter som skyddar de sköra parade elektronerna istället för att förstöra dem. Detta sällsynta exempel på magnetfältsförstärkt supraledning i en tunnfilm pekar mot en kraftfull designprincip: att använda magnetiska dopanter i spacerlagren för att finjustera både parningsstyrkan och hur supraledningen svarar på extrema förhållanden. Sådan kontroll kan bli avgörande för att konstruera framtida höghtemperatursupraledare för verkliga tekniska tillämpningar.

Citering: 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

Nyckelord: nickelat‑supraledare, europium‑dopning, supraledning förbättrad av magnetfält, Jaccarino‑Peter‑effekten, stark‑koppling‑parning