通过稀土置换在 Nd1-xEuxNiO2 薄膜中诱导的再入型非常规超导性

为什么混合金属能造就更好的超导体

超导体是能够无损耗传导电流的材料，承诺带来超高效的输电线路、强力磁体和下一代电子设备。目前发现的大多数高温超导体以铜为基础。这项研究探讨了一类较新的镍基材料，并显示通过在晶格中谨慎地替换入具有磁性的稀土元素——铕，可以不仅增强超导性，还能在通常会摧毁超导性的强磁场下让其蓬勃存在。

镍基超导体进入聚光灯

近几年，所谓“无限层”镍酸盐薄膜作为寻找高温超导体的铜的近亲进入了视野。这类材料由交叠的镍-氧层构成，中间夹有一层稀土原子，如钕（Nd）。早期工作表明，与铜基超导体不同，镍酸盐呈现出较弱结合的电子对，这被视为超导强度相对温和的迹象。有趣的是，改变稀土元素已知会改变超导行为，这提示原本看似无害的间隔层实际上起着重要作用。

加入铕改变了局面

作者聚焦于 Nd1-xEuxNiO2 薄膜，其中部分钕原子被铕（Eu）取代。铕具有强磁矩，使其在晶体内部成为强烈的局部磁体。研究团队生长了超薄且受控的样品，具有不同的铕浓度，然后测量了其电阻对温度和极强磁场的响应——高达 60 特斯拉，远超常规实验室磁体的能力。研究者没有观察到磁场简单地淬灭超导性的情况，反而发现了惊人的现象：在宽广的场范围内，超导态被稳定并变得更强健。

当磁性保护超导性时

在常规情形下，磁场最终会撕裂使超导性成立的成对电子，从而设定了材料在恢复正常电阻之前所能承受的最大场值。在这些铕掺杂的镍酸盐中，这一极限被显著超越。对电阻随温度和磁场变化的详细测量显示出非单调行为：超导性在低场下减弱，但在更高场下再次出现或增强，这种现象被称为再入型超导性。作者用一种微妙的磁性补偿效应来解释这一点——这一效应长期被理论预测但在薄膜中很少观察到。铕的磁矩与镍-氧层中的电子发生反铁磁耦合，产生一个与外加磁场相反的内部磁场。随着外场使铕磁矩极化，它们产生的内部场部分抵消了超导电子实际感受到的场，从而使超导性得以在本应消失的场强下存活甚至增强。

探测电子配对的强度

为确定这些材料中电子配对的强弱，团队采用了红外光谱学，这能探测打破电子对所需的能量。通过比较薄膜在超导转变温度上下的反射光，他们提取出超导能隙的大小。在铕掺杂薄膜中测得的能隙明显大于用锶掺杂的相关镍酸盐。若以转变温度为标准来表示，这一能隙落在与强耦合铜氧化物超导体相同的范围内，表明这里的配对相互作用也异常强。数据与具有节点的 d 波类态一致，即能隙在某些方向上消失，这再次呼应了受广泛研究的铜酸盐材料的行为。

用原子置换塑造超导性

研究者将实验与先进的量子力学计算相结合，表明铕的磁矩对位于最重要的镍轨道中的电子施加了可观的交换场，而这些轨道正是决定超导性的关键。该定向相互作用似乎增强了配对强度，并且对于磁场补偿效应至关重要。与此同时，铕较小的离子尺寸会微妙地改变镍-氧层之间的间距，这可能进一步增强配对。综合这些效应，Nd1-xEuxNiO2 被转变为一种强耦合的非常规超导体，其行为与其锶掺杂的“表亲”形成鲜明对比。

这对未来超导体意味着什么

简而言之，这项工作表明，通过选择合适的具有磁性的稀土成分，科学家不仅可以提升镍酸盐的超导强度，还能使其对强磁场异常耐受。铕原子发挥了内部可调磁体的作用，保护脆弱的成对电子而不是摧毁它们。在薄膜中观察到的这一罕见的磁场增强超导性示例，指出了一个强有力的设计原则：在间隔层中使用磁性掺杂来调节配对强度以及超导性对极端条件的响应。这种控制对于为实际技术工程化未来的高温超导体可能至关重要。

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

关键词: 镍酸盐超导体, 铕掺杂, 磁场增强的超导性, Jaccarino-Peter 效应, 强耦合配对