[논문 리뷰] Paramagnetically driven superconducting re-entrance in Eu-doped infinite layer nickelates

Lucia Varbaro, Lukas Korosec외 12명|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 27.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 0

한 줄 요약

본 논문은 Eu 도핑 NdNiO2 박막에서 필드에 의한 재진입 초전도 현상을 보고하며, 이는 Eu2+와 Nd3+ 모멘트의 상충하는 편향으로부터 기인한다는 것을 보여주고, 홀 효과 모델링과 Gorkov 기반 쌍 붕괴 이론으로 뒷받침된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 자기적 희소 원소 이온(Eu2+ 및 Nd3+)가 Nd1−xEuxNiO2에서 초전도에 어떤 영향을 미치는지 조사한다.
• Jaccarino-Peter 유사한 메커니즘이 Eu 도핑 닐켈레이트에서 필드에 의한 재진입 초전도를 설명할 수 있는지 판단한다.
• 고자장에 의한 자기 수송 현상(홀 효과 포함) 및 초전도 상경계를 고자장에서 특징지운다.
• 희귀 원소 스핀 편향과 특이 홀 효과, 초전도 억제/회복 사이의 정량적 연결 고를 개발한다

제안 방법

• Nd1−xEuxNiO2 박막(x=0.3)을 RF 마그네트론 스퍼터링으로 성장시키고 금속 Al로 현장 환원하여 무한층 상을 실현한다.
• Tc(B)를 매핑하기 위해 수직 및 평행 자기장 하에서 저항률을 최대 30 T까지 측정하고 재진입 초전도를 관찰한다.
• 비초전도성 샘플 및 초전도 샘플에서 홀 효과를 측정하여 R0(T)와 특별 홀 기여를 추출한다.
• Eu2+(J=7/2) 및 Nd3+(J=9/2)에 대한 브릴루앙 함수(Brillouin functions)를 사용하여 Rxy(B,T) = R0(T)B + c[xNd⟨Nd3+(B,T)⟩ + xEu⟨Eu2+(B,T)⟩]로 모델링한다.
• Gorkov의 쌍 붕괴 이론을 사용하여 Eu2+ 및 Nd3+의 교환 기여를 포함한 전체 장 Btot를 갖는 Bc2(T)을 계산한다.
• 실험적 Bc2(T) 데이터에 맞춰 확산 상수 D, 스핀-오비트 시간 τSO, 유효 질량 m*, 교환 결합Γ 등의 모델 매개변수를 피팅한다.

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

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Eu 도핑 NdNiO2에서 anomalous field-induced re-entrant superconductivity의 원인은 무엇인가?
• RQ2 Eu2+ 및 Nd3+ 자발 모멘트가 각각 및 함께 자기 수송 및 초전도성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 관찰된 홀 반응과 Tc 회복을Field에서 설명하는 두 가지 자기 이온 종으로 확장된 Jaccarino-Peter 유사 메커니즘이 가능한가?
• RQ4 희귀 원소 이온에서의 교환장을 포함한 총 효과장(total effective field)이 Bc2(T) 위상 경계를 어떻게 결정하는가?

주요 결과

• 재진입 초전도 현상은 최적 도핑 Nd0.7Eu0.3NiO2가 LSAT에서 3 T 근처의 중간 자기장에 나타나고 최소 30 T까지 지속된다.
• 홀 효과 데이터는 Eu2+ 및 Nd3+ 모멘트에 기인하는 비선형적이고 온도 의존적인 기여를 보이며 두 서브격자 모델이 Rxy(B,T)에 잘 맞는다.
• Eu2+(J=7/2) 및 Nd3+(J=9/2) 모멘트의 브릴루앙 함수 기반 편향은 자기장 아래 부분적으로 내부 장을 보정하여 전도전자에 의해 느껴지는 내부장을 감소시킨다.
• 브릴루앙 함수 기반의 편향과 총장 Btot를 포함한 Gorkov 기반의 쌍 붕괴 이론은 두 자기장 방향에 대해 관찰된 Bc2(T)의 비선형성을 재현한다.
• X선 자기 원심 이분 광학 측정은 Eu와 Nd의 자기 스핀 편향을 현저히 지지하며 모델과 일치한다.
• Eu/Nd 자기 상호 작용은 저온에서의 필드 유도 초전도성에 필수적이며, 동일한 조건에서 상 Tc 샘플은 재진입을 보이지 않는다.

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