DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10547-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42026218
تاريخ النشر: 2026-04-23
المؤلف: Mingwei Yang وآخرون
الموضوع الرئيسي: الخصائص المغناطيسية للسبائك
نظرة عامة
تناقش هذه القسم التفاعل بين الموصلية الفائقة والمغناطيسية في النيكلات ذات الطبقات اللانهائية، مع التركيز بشكل خاص على تأثيرات مغناطيسية العناصر الأرضية النادرة على الخصائص الموصلية الفائقة. تسلط الأبحاث الضوء على أن النيكلات Sm0.95-xCa0.05EuxNiO2 المدعمة باليوروبيم تظهر مرحلة موصلية فائقة معادة الدخول تحت تأثير المجال المغناطيسي في نظام الإفراط في التحميل الغني باليوروبيم. تتميز هذه المرحلة بنقل مقاومة صفرية وكشف ديمغناطيسي عالي المجال، مما يؤكد طبيعتها الموصلية الفائقة. من الجدير بالذكر أن هذه المرحلة المعادة الدخول تظهر بعد قمع الموصلية الفائقة في المجالات المنخفضة وتظل قوية عبر درجات حرارة ومجالات مغناطيسية واتجاهات مختلفة.
بالإضافة إلى ذلك، تلاحظ الدراسة النقل غير الخطي في قاعة والمقاومة المغناطيسية الهستيرية ضمن نفس نطاق التحميل، مما يشير إلى الطبيعة غير التقليدية للسلوك المعاد الدخول. بينما تتماشى النتائج جزئيًا مع آلية تعويضية بين مجال تبادل اليوروبيم والمجال المغناطيسي المطبق، يتم ملاحظة انحرافات كبيرة عند مستويات تحميل أعلى. بشكل عام، تضع النتائج النيكلات ذات الطبقات اللانهائية كمنصة واعدة للتحقيق في الموصلية الفائقة المدفوعة مغناطيسيًا في الأكاسيد المرتبطة بقوة.
مقدمة
يعد التفاعل بين المغناطيسية والموصلية الفائقة أمرًا حيويًا لفهم مراحل الكم غير التقليدية المختلفة، خاصة في مركبات الفيرميون الثقيل والنيكلات ذات الطبقات اللانهائية. تبحث هذه الدراسة في مخطط المرحلة لأفلام Sm\(_{0.95-x}\)Ca\(_{0.05}\)Eu\(_x\)NiO\(_2\) الرقيقة، كاشفة عن ظهور ارتباطات مغناطيسية قوية جنبًا إلى جنب مع الموصلية الفائقة، خاصة في نظام التحميل الثقيل. من الجدير بالذكر أن الدراسة تحدد الموصلية الفائقة المعادة الدخول الناتجة عن المجال المغناطيسي التي تستمر في المجالات المغناطيسية العالية، والتي تُعزى إلى التفاعل بين أيونات اليوروبيم\(^2+\) المغناطيسية وطبقات Ni-O الموصلية الفائقة. يتحدى هذا الظاهرة الفهم التقليدي، مما يقترح إمكانية التزاوج الموصلية الفائقة المدفوعة مغناطيسيًا.
تشير النتائج إلى وجود مرحلة موصلية فائقة قوية تمتد عبر نطاق تحميل واسع (0.08 < x < 0.45)، مع درجة حرارة انتقال قصوى (T\(_c\)) تبلغ حوالي 32 كلفن. تسلط الأبحاث الضوء على الخصائص الفريدة لهذه الموصلية الفائقة المعادة الدخول، بما في ذلك حدوثها تحت مجالات مغناطيسية عمودية وتحمل زاوي واسع، والذي يتجاوز ما هو معروف في الأنظمة الأخرى. تضع النتائج النيكلات ذات الطبقات اللانهائية كمنصة واعدة لاستكشاف كيفية تأثير مغناطيسية العناصر الأرضية النادرة على الموصلية الفائقة، مما يمهد الطريق للتحقيقات المستقبلية في الآليات الأساسية، بما في ذلك إمكانية التزاوج ثلاثي الدوران والنظام المغناطيسي طويل المدى.
طرق
تحدد قسم “طرق” في ورقة البحث التصميم التجريبي والتقنيات التحليلية المستخدمة للتحقيق في فرضية البحث. استخدمت الدراسة نهجًا كميًا، مع دمج التحليلات الإحصائية لتقييم البيانات المجمعة من تجارب مختلفة. تضمنت المنهجيات المحددة تجارب محكومة، حيث تم تعديل المتغيرات بشكل منهجي لمراقبة تأثيراتها على النتائج ذات الصلة.
شمل جمع البيانات استخدام أدوات موحدة لضمان الموثوقية والصلاحية. تم إجراء التحليل باستخدام برامج إحصائية، وتطبيق تقنيات مثل تحليل الانحدار وANOVA لتقييم العلاقات بين المتغيرات. كما يتناول القسم طرق أخذ العينات، بما في ذلك معايير اختيار المشاركين وحجم العينة، الذي تم تحديده بناءً على تحليل القوة لضمان قوة إحصائية كافية لاكتشاف التأثيرات الكبيرة. بشكل عام، تم تصميم الطرق المستخدمة بدقة لتوفير نتائج قوية وقابلة للتكرار.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تصنيع أهداف سيراميكية Sm\(_{0.95-x}\)Ca\(_{0.05}\)Eu\(_x\)NiO\(_y\) متعددة البلورات واستخدامها لاحقًا لإيداع أفلام epitaxial بسمك حوالي 22 وحدة خلوية على ركائز LSAT (001) عبر ترسيب الليزر النبضي (PLD). تم نمو الأفلام تحت ظروف محكومة، بما في ذلك درجة حرارة 600 درجة مئوية وضغط جزئي للأكسجين قدره 100 م Torr، تلاها إيداع طبقة تغطية بسمك 5 وحدات خلوية من SrTiO\(_3\). تم مراقبة الاختزال التوبوتاكتكي إلى مرحلة Sm\(_{0.95-x}\)Ca\(_{0.05}\)Eu\(_x\)NiO\(_2\) اللانهائية في الموقع، مما يكشف أن استبدالًا صغيرًا لـ Ca\(^{2+}\) في موقع العناصر الأرضية النادرة يعزز بشكل كبير عملية الاختزال، مما يحسن من السلامة الهيكلية والخصائص الموصلية الفائقة للأفلام.
تم إجراء توصيف الأفلام باستخدام تقنيات حيود الأشعة السينية (XRD) وانعكاسية الأشعة السينية (XRR)، حيث استخدمت الأخيرة نموذجًا يتضمن طبقة التغطية للحصول على دقة في سمك ونعومة الفيلم. تم إجراء قياسات النقل الكهربائي باستخدام طريقة الأربع مجسات عند درجات حرارة منخفضة ومجالات مغناطيسية عالية، مما يكشف عن رؤى حاسمة في سلوك المادة الموصلية الفائقة. كما تم إجراء قياسات المقاومة المغناطيسية في المجالات العالية في المختبر الصيني للمجالات المغناطيسية العالية، باستخدام تكنولوجيا مغناطيسية متقدمة لدعم نتائج الدراسة. ساهمت الجهود التعاونية لعدة مؤلفين في جوانب مختلفة من البحث، بما في ذلك التفسيرات النظرية وإعداد المخطوطة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10547-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42026218
Publication Date: 2026-04-23
Author(s): Mingwei Yang et al.
Primary Topic: Magnetic Properties of Alloys
Overview
This section discusses the interplay between superconductivity and magnetism in infinite-layer nickelates, specifically focusing on the effects of rare-earth magnetism on superconducting properties. The research highlights that Eu-doped infinite-layer nickelate Sm0.95-xCa0.05EuxNiO2 exhibits a magnetic-field-induced re-entrant superconducting phase in the Eu-rich over-doped regime. This phase is characterized by zero-resistance transport and high-field diamagnetic screening, confirming its superconducting nature. Notably, this re-entrant phase emerges after the suppression of low-field superconductivity and is robust across various temperatures, magnetic fields, and orientations.
Additionally, the study observes nonlinear Hall transport and hysteretic magnetoresistance within the same doping range, suggesting the unconventional nature of the re-entrant behavior. While the findings partially align with a compensation mechanism between the Eu-derived exchange field and the applied magnetic field, significant deviations are noted at higher doping levels. Overall, the results position infinite-layer nickelates as a promising platform for investigating magnetically driven high-field superconductivity in strongly correlated oxides.
Introduction
The interplay between magnetism and superconductivity is crucial for understanding various unconventional quantum phases, particularly in heavy-fermion compounds and infinite-layer nickelates. This research investigates the phase diagram of Sm\(_{0.95-x}\)Ca\(_{0.05}\)Eu\(_x\)NiO\(_2\) thin films, revealing the emergence of strong magnetic correlations alongside superconductivity, especially in the heavily doped regime. Notably, the study identifies magnetic-field-induced re-entrant superconductivity that persists at high magnetic fields, attributed to the interaction between magnetic Eu\(^2+\) ions and superconducting Ni-O planes. This phenomenon challenges conventional understanding, suggesting the possibility of magnetically mediated superconducting pairing.
The findings indicate a robust superconducting phase that spans a wide doping range (0.08 < x < 0.45), with a maximum transition temperature (T\(_c\)) of approximately 32 K. The research highlights the unique characteristics of this re-entrant superconductivity, including its occurrence under perpendicular magnetic fields and a broad angular tolerance, which exceeds that of other known systems. The results position infinite-layer nickelates as a promising platform for exploring how rare-earth magnetism influences superconductivity, paving the way for future investigations into the underlying mechanisms, including potential spin-triplet pairing and long-range magnetic order.
Methods
The “Methods” section of the research paper outlines the experimental design and analytical techniques employed to investigate the research hypothesis. The study utilized a quantitative approach, incorporating statistical analyses to evaluate the data collected from various experiments. Specific methodologies included controlled experiments, where variables were systematically manipulated to observe their effects on the outcomes of interest.
Data collection involved the use of standardized instruments to ensure reliability and validity. The analysis was conducted using statistical software, applying techniques such as regression analysis and ANOVA to assess the relationships between variables. The section also details the sampling methods, including the selection criteria for participants and the sample size, which was determined based on power analysis to ensure adequate statistical power for detecting significant effects. Overall, the methods employed were rigorously designed to provide robust and replicable findings.
Discussion
In this study, polycrystalline Sm\(_{0.95-x}\)Ca\(_{0.05}\)Eu\(_x\)NiO\(_y\) ceramic targets were synthesized and subsequently used to deposit approximately 22 unit-cell thick epitaxial films on LSAT (001) substrates via pulsed laser deposition (PLD). The films were grown under controlled conditions, including a temperature of 600 °C and an oxygen partial pressure of 100 mTorr, followed by the deposition of a 5 unit-cell thick SrTiO\(_3\) capping layer. The topotactic reduction to the infinite-layer Sm\(_{0.95-x}\)Ca\(_{0.05}\)Eu\(_x\)NiO\(_2\) phase was monitored in situ, revealing that a small substitution of Ca\(^{2+}\) at the rare-earth site significantly enhanced the reduction process, thereby improving the structural integrity and superconducting properties of the films.
Characterization of the films was performed using X-ray diffraction (XRD) and X-ray reflectivity (XRR) techniques, with the latter employing a model that included the capping layer for accurate thickness and roughness refinement. Electrical transport measurements were conducted using a four-probe method at low temperatures and high magnetic fields, revealing critical insights into the material’s superconducting behavior. High-magnetic-field magnetoresistance measurements were also carried out at the Chinese High Magnetic Field Laboratory, utilizing advanced magnet technology to support the findings of the study. The collaborative efforts of multiple authors contributed to various aspects of the research, including theoretical interpretations and manuscript preparation.