[論文レビュー] Paramagnetically driven superconducting re-entrance in Eu-doped infinite layer nickelates

Lucia Varbaro, Lukas Korosec+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2026

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 0

ひとこと要約

本論文はEuドーピング NdNiO2薄膜における磁場誘起の再入 superconductivityを報告し、Eu2+とNd3+モーメントの競合する分極から生じることを示し、Hall効果モデルとGorkovベースのペアブレーキング理論によって裏付ける。

ABSTRACT

The breakthrough discovery of superconductivity in infinite-layer nickelates, and subsequently in several superconducting nickelates with more complex layered structures, capped a search spanning more than two decades and opened an entirely new field of research. Significant efforts aim to increase the critical temperature, to determine the electronic structure of the system, the underlying pairing mechanism, and the similarities between this system and cuprates - Ni1+ in infinite-layer nickelates being isoelectronic to Cu2+ in high-Tc cuprates. Here, we explore the unique role of magnetic rare earth ions in superconducting Eu-doped NdNiO2. We show that the field-induced re-entrant superconductivity which we evidence in this compound is the result of a delicate balance between the competing effects of the Eu2+ and Nd3+ ions. Our analyses of the extraordinary Hall effect and modeling of the superconducting critical fields demonstrate that the influence of these ions on magneto-transport is only felt when they are polarized by a magnetic field.

研究の動機と目的

• 磁気的希土類イオン（Eu2+とNd3+）がNd1−xEuxNiO2の超伝導に与える影響を調べる。
• Jaccarino-Peter風の機構がEuドーピングニッケレートにおける場誘起再入超伝導を説明できるかを検討する。
• 高磁場下での磁気輸送特性（Hall効果を含む）と超伝導相境界を特徴づける。
• 希土類スピン分極を extraordinary Hall 効力と超伝導抑制/回復に結びつける定量モデルを構築する。

提案手法

• x=0.3のNd1−xEuxNiO2薄膜をRFマグネトロンスパッタリングで成長させ、In situで金属Alによる還元を行いインフィニットレイヤー相を実現。
• Tc(B)をマッピングするために鉄道垂直および平行磁場下で抵抗率を最大30 Tまで測定し再入超伝導を観測。
• 超伝導体と非超伝導体サンプルのHall効果測定を実施しR0(T)と extraordinary Hall成分を抽出。
• Eu2+ (J=7/2) および Nd3+ (J=9/2) のBrillouin関数を用いて Rxy(B,T) を R0(T)B + c[xNd⟨Nd3+(B,T)⟩ + xEu⟨Eu2+(B,T)⟩] とモデル化。

Figure 1: (a) High-resolution X-ray diffraction scan around the (002) reflection of an optimally doped Nd 0.7 Eu 0.3 NiO 2 film grown on LSAT. The scan reveals an intense film peak, and the pronounced finite-size oscillations, marked by arrows, indicate high crystalline quality and smooth interfaces

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EuドーピングNdNiO2で観測される異常な場誘起再入超伝導の原因は何か。
• RQ2 Eu2+とNd3+の磁気モーメントが個別および共同で磁気輸送と超伝導にどのように影響するか。
• RQ3 二つの磁気イオン種に拡張したJaccarino-Peter風機構はHall応答と Tc 回復を説明できるか。
• RQ4 希土類イオン由来の交換場を含む総有効磁場がBc2(T)の相境界をどのように決定するか。

主な発見

• 最適ドープNd0.7Eu0.3NiO2をLSAT上で、中間磁場付近（約3 T）で再入超伝導が現れ、少なくとも30 Tまで持続する。
• Hall効果データはEu2+およびNd3+モーメントに起因する非線形で温度依存の寄与を示し、二サブ格モデルがRxy(B,T)に適合する。
• Eu2+ (J=7/2) および Nd3+ (J=9/2) のBrillouin-functionベースの分極が磁場下で部分的に相殺され、伝導電子が感じる内部場を低減する。
• Gorkovベースのペアブレーキング理論は総磁場Btotを交換項を含めて用いることで、両方の磁場方向で観測されたBc2(T)の非線形性を再現する。
• X線磁気円二色性測定はEuおよびNdの磁気スピン分極を場依存的に裏付け、モデルと一致する。
• Eu/Ndの磁気的相互作用は低温での場誘起超伝導の観測に不可欠であり、同条件下で高Tcのサンプルは再入を示さない。

Figure 2: (a) Resistivity versus temperature curves for an optimized Nd 0.7 Eu 0.3 NiO 2 film on LSAT under perpendicular magnetic fields ranging from 0 T to 3.5 T in the top panel and 4 to 12 T in the bottom one. A conventional suppression of the superconducting transition temperature $T_{c}$ is ob