🔬 materials science

High-field-stabilized reentrant superconductivity in infinite-layer nickelate thin films

यह शोध पत्र इन्फिनिट-लेयर निकेलेट थिन फिल्म्स में उच्च-क्षेत्र-स्थिर पुनरागमन (reentrant) सुपरकंडक्टिविटी की खोज की रिपोर्ट करता है जिसमें संक्रमण तापमान 40 K तक है, जहाँ निम्न- और उच्च-क्षेत्र दोनों सुपरकंडक्टिंग अवस्थाओं को एक जैकरो-पीटर (Jaccarino-Peter) जैसे क्षतिपूर्ति तंत्र के लिए जिम्मेदार माना गया है जो ऊपरी क्रांतिक क्षेत्र (upper critical field) को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है।

मूल लेखक: Km Rubi, King Yau Yip, Elizabeth Krenkel, Nurul Fitriyah, Xing Gao, Saurav Prakash, S. Lin Er Chow, Tsz Fung Poon, Mun K. Chan, David Graf, A. Ariando, Neil Harrison

प्रकाशित 2026-05-29

📖 5 मिनट में पढ़ें🧠 गहराई से पढ़ें

CC BY 4.0

मूल लेखक: Km Rubi, King Yau Yip, Elizabeth Krenkel, Nurul Fitriyah, Xing Gao, Saurav Prakash, S. Lin Er Chow, Tsz Fung Poon, Mun K. Chan, David Graf, A. Ariando, Neil Harrison

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

यहाँ सरल भाषा और रचनात्मक उपमाओं का उपयोग करके शोध पत्र (paper) का स्पष्टीकरण दिया गया है।

मुख्य विचार: वे सुपरकंडक्टर्स जो शक्तिशाली चुंबकों से प्यार करते हैं

आमतौर पर, यदि आप एक सुपरकंडक्टर (एक ऐसा पदार्थ जो बिना किसी प्रतिरोध के बिजली का संचालन करता है) को एक शक्तिशाली चुंबक के पास रखते हैं, तो चुंबक एक 'बुली' (धौंस जमाने वाले) की तरह व्यवहार करता है। यह सुपरकंडक्टिंग इलेक्ट्रॉन्स को एक-दूसरे से दूर धकेलता है, जिससे सुपरकंडक्टिविटी खत्म हो जाती है। यह वैसा ही है जैसे भीड़ में हाथ पकड़कर चलने की कोशिश करना जहाँ लोग आपको अलग करने के लिए धक्का दे रहे हों; अंततः, आप हाथ छोड़ देते हैं।

हालाँकि, यह शोध पत्र एक दुर्लभ और आश्चर्यजनक खोज की रिपोर्ट करता है: शोधकर्ताओं ने एक ऐसा पदार्थ पाया है जहाँ एक शक्तिशाली चुंबक वास्तव में सुपरकंडक्टिविटी को वापस जीवित करने में मदद करता है जिसे एक कमजोर चुंबक ने खत्म कर दिया था। वे इसे "रीएंट्रेंट सुपरकंडक्टिविटी" (reentrant superconductivity) कहते हैं।

पदार्थ: एक विशेष "निकल केक"

जिस पदार्थ का उन्होंने अध्ययन किया वह एक विशेष प्रकार के निकल कंपाउंड (जिसे इनफिनिट-लेयर निकेलेट कहा जाता है) की एक पतली फिल्म है। इस पदार्थ को निकल और ऑक्सीजन की परतों से बना एक बहुत ही पतला, नाजुक "केक" समझें।

लक्ष्य: वे यह देखना चाहते थे कि क्या यह "केक" अत्यंत शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्रों में सुपरकंडक्टिव रह सकता है, जो कि आमतौर पर असंभव है।
सेटअप: उन्होंने इन फिल्मों को बहुत पतला बनाया (लगभग 4 से 7 नैनोमीटर मोटा—DNA के एक धागे से भी पतला) और उन्हें एक विशेष आधार पर रखा।

प्रयोग: "धक्का और खिंचाव" का खेल

कल्पना कीजिए कि पदार्थ में मौजूद इलेक्ट्रॉन्स जोड़ों में नाचने की कोशिश कर रहे हैं (यही सुपरकंडक्टिविटी बनाता है)।

चुंबक का धक्का: जब शोधकर्ताओं ने चुंबकीय क्षेत्र चालू किया, तो इसने इलेक्ट्रॉन जोड़ों को अलग करने की कोशिश की। एक कम फील्ड (लगभग 1 टेस्ला) पर, नृत्य रुक गया, और पदार्थ फिर से एक सामान्य रेजिस्टर बन गया।
आश्चर्यजनक गिरावट: जैसे-जैसे उन्होंने चुंबकीय क्षेत्र को और बढ़ाया, कुछ अजीब हुआ। प्रतिरोध केवल उच्च ही नहीं रहा; बल्कि थोड़ा कम हो गया।
बड़ी वापसी: जब उन्होंने चुंबकीय क्षेत्र को अत्यधिक स्तरों (लगभग 20 से 65 टेस्ला—ज्यादातर अस्पताल की MRI मशीनों से भी अधिक शक्तिशाली) तक बढ़ाया, तो प्रतिरोध पूरी तरह से शून्य हो गया। इलेक्ट्रॉन फिर से जोड़ों में नाचने लगे, भले ही चुंबक पहले से कहीं अधिक शक्तिशाली था।

गुप्त हथियार: "आंतरिक बॉडीगार्ड"

ऐसा क्यों हुआ? शोध पत्र इसे जैकारिनो-पीटर प्रभाव (Jaccarino–Peter effect) नामक अवधारणा का उपयोग करके समझाता है।

कल्पना कीजिए कि चुंबकीय क्षेत्र एक विशाल हवा है जो नर्तकों को उड़ाने की कोशिश कर रही है। आमतौर पर, यह हवा जीत जाती है। लेकिन इस विशिष्ट पदार्थ में, विशेष परमाणु (यूरोपियम) आंतरिक बॉडीगार्ड के रूप में कार्य करते हैं।

इन बॉडीगार्ड्स के अपने छोटे चुंबकीय क्षेत्र होते हैं जो विशाल हवा की विपरीत दिशा में होते हैं।
जब विशाल हवा (बाहरी चुंबक) पर्याप्त मजबूत हो जाती है, तो यह इन बॉडीगार्ड्स को खड़ा होने और हवा के ठीक विपरीत दिशा में अपनी ढाल (shields) लगाने के लिए मजबूर करती है।
एक निश्चित शक्ति पर, बॉडीगार्ड्स की ढाल हवा को पूरी तरह से रद्द कर देती है। नर्तक अचानक सुरक्षित हो जाते हैं, और सुपरकंडक्टिविटी वापस आ जाती है।

शोधकर्ताओं ने पाया कि उनके पदार्थ में लगभग दो-तिहाई यूरोपियम परमाणु सही "अवस्था" में थे ताकि वे इन बॉडीगार्ड्स के रूप में कार्य कर सकें।

परिणाम: सीमाओं को तोड़ना

टीम ने अलग-अलग तापमान और मोटाई के साथ इस पदार्थ के कई संस्करणों का परीक्षण किया।

कम-तापमान वाले नमूने: उन्होंने देखा कि कम फील्ड पर सुपरकंडक्टिविटी मर जाती है, और फिर उच्च फील्ड (लगभग 20-30 टेस्ला) पर वापस आती है।
उच्च-तापमान वाले नमूने: उन नमूनों में जो उच्च तापमान (31.7 केल्विन तक) पर पहले से ही सुपरकंडक्टिंग थे, सुपरकंडक्टिविटी अत्यधिक चुंबकीय क्षेत्रों में भी जीवित रही, जो 65 टेस्ला तक बनी रही।

यह एक बहुत बड़ी बात है क्योंकि मानक भौतिकी कहती है कि इस तरह के फील्ड स्ट्रेंथ पर सुपरकंडक्टिविटी असंभव होनी चाहिए। "आंतरिक बॉडीगार्ड्स" (यूरोपियम परमाणुओं) ने इस पदार्थ को वहां जीवित रहने में सक्षम बनाया जहां अन्य विफल हो जाते।

यह क्यों महत्वपूर्ण है (शोध पत्र के अनुसार)

शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि यह केवल एक अजीब ट्रिक नहीं है; यह साबित करता है कि हम ऐसे पदार्थों को इंजीनियर कर सकते हैं जो उन चुंबकीय क्षेत्रों को झेल सकें जो सामान्यतः विनाशकारी होते हैं।

उन्होंने इसकी तुलना दूसरे प्रकार के पदार्थ (चेव्रल-फेज कंपाउंड्स) में हुई एक पिछली खोज से की, लेकिन वे पदार्थ केवल बहुत ठंडे, कम तापमान पर काम करते थे।
यह नया निकल पदार्थ बहुत उच्च तापमान (कुछ मामलों में 40 केल्विन तक) पर काम करता है, जो इसे भविष्य की तकनीकों के लिए एक बहुत ही आशाजनक उम्मीदवार बनाता है जिन्हें अत्यधिक शक्तिशाली चुंबकीय वातावरण में काम करने की आवश्यकता होती है।

संक्षेप में: शोधकर्ताओं ने एक तरीका खोजा है जिससे वे "बुरे लड़कों" (पदार्थ के भीतर मौजूद चुंबकीय परमाणुओं) का उपयोग "बड़े बुरे भेड़िये" (बाहरी चुंबक) से लड़ने के लिए कर सकते हैं, जिससे कल्पना योग्य सबसे शक्तिशाली हवाओं में भी सुपरकंडक्टिंग नृत्य जारी रह सके।

तकनीकी सारांश: इनफिनिट-लेयर निकलेट थिन फिल्म्स में उच्च-क्षेत्र-स्थिर पुनरागमन अतिचालकता (High-field-stabilized reentrant superconductity)

समस्या विवरण
चुंबकीय क्षेत्र आमतौर पर दो प्राथमिक तंत्रों के माध्यम से अतिचालकता को दबाते हैं: पाउली पेयर ब्रेकिंग (Pauli pair breaking), जहाँ ज़ीमान इंटरैक्शन (Zeeman interaction) इलेक्ट्रॉन स्पिन को संरेखित करता है और स्पिन-सिंगलेट कूपर पेयर्स को बाधित करता है, और ऑर्बिटल पेयर ब्रेकिंग (Orbital pair breaking), जहाँ चुंबकीय फ्लक्स अतिचालक में भंवर (vortices) के रूप में प्रवेश करता है, जिससे फेज़ कोहेरेंस (phase coherence) नष्ट हो जाती है। हालांकि चेव्रेल-फेज यौगिकों (Chevrel-phase compounds), कार्बनिक चालकों, यूरेनियम-आधारित हेवी-फर्मीयन प्रणालियों और मोइरे ग्राफीन में चुंबकीय-क्षेत्र-प्रेरित अतिचालकता (reentrant superconductivity) के दुर्लभ उदाहरण देखे गए हैं, लेकिन ये सामग्रियां अंतर्निहित निम्न अतिचालक संक्रमण तापमान ( $T_c$ ) द्वारा सीमित हैं। क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण चुनौती ऐसे अतिचालक अवस्था को प्राप्त करना है जो उच्च चुंबकीय क्षेत्रों में सुदृढ़ बनी रहे, विशेष रूप से उच्च-तापमान अतिचालकों के भीतर जहाँ $T_c$ मान काफी अधिक होते हैं।

कार्यप्रणाली
यह अध्ययन $(Sm_{1-x-y-z}Eu_xCa_ySr_z)NiO_2$ (जिसे SECNO कहा जाता है) संरचना वाले इनफिनिट-लेयर निकलेट थिन फिल्म्स की जांच करता है। नमूनों को एक टोपोटैक्टिक रिडक्शन प्रक्रिया (topotactic reduction process) का उपयोग करके $NdGaO_3$ (110) सबस्ट्रेट्स पर संश्लेषित किया गया था, जिसमें पेरोव्स्काइट प्रिकर्सर से इनफिनिट-लेयर चरण तक इष्टतम रिडक्शन सुनिश्चित करने के लिए इन-सीटू रेजिस्टिविटी मॉनिटरिंग का उपयोग किया गया। नम liệu (samples) की मोटाई 4 से 7 nm तक थी, जिन्हें संक्रमण तापमान को ट्यून करने के लिए दुर्लभ-पृथ्वी तत्वों (Sm, Eu, Ca, Sr) के साथ डोप किया गया था।

राष्ट्रीय उच्च चुंबकीय क्षेत्र प्रयोगशाला (National High Magnetic Field Laboratory) में DC और पल्स्ड-फील्ड सुविधाओं का उपयोग करते हुए प्रयोगात्मक माप किए गए। प्रमुख तकनीकें शामिल थीं:

विद्युत परिवहन (Electrical Transport): चुंबकीय क्षेत्र ( $H$ ) और तापमान ( $T$ ) के फलन के रूप में चार-बिंदु प्रतिरोध (four-point resistance) माप, जहाँ चुंबकीय क्षेत्र क्रिस्टलीय $c$ -अक्ष के अनुदिश लगाया गया और विभिन्न झुकाव कोणों ( $\theta$ ) पर घुमाया गया।
प्रेरक माप (Inductive Measurements): स्क्रीनिंग करंट से जुड़े डायमैग्नेटिक शिफ्ट (diamagnetic shifts) का पता लगाने के लिए एक प्रॉक्सिमिटी डिटेक्टर का उपयोग करके रेडियो-फ्रीक्वेंसी (≈20 MHz) टैंक सर्किट माप, जो उच्च-क्षेत्र शासन में बल्क अतिचालकता की पुष्टि करता है।
स्पेक्ट्रोस्कोपी (Spectroscopy): यूरोपियम (Eu) की वैलेंस अवस्था निर्धारित करने के लिए सिंगापुर सिनक्रोट्रॉन लाइट सोर्स पर एक्स-रे अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी (XAS)।
चुंबकत्व (Magnetization): चुंबकीय क्षणों को चरित्रित करने के लिए $NdGaO_3$ सबस्ट्रेट और फिल्मों में एनोमलस हॉल प्रभाव (anomalous Hall effect) का माप।
सैद्धांतिक मॉडलिंग (Theoretical Modeling): प्रयोगात्मक फेज़ डायग्राम का विश्लेषण एक संशोधित वर्थामर-हेल्फैंड-होहेनबर्ग (WHH) मॉडल का उपयोग करके किया गया, जो एक आंतरिक एक्सचेंज फील्ड ( $H_J$ ) और द्वि-आयामी अतिचालकों में टिंखम मॉडल (Tinkham model) को शामिल करता है।

प्रमुख योगदान और परिणाम
लेखक SECNO फिल्मों में उच्च-क्षेत्र-स्थिर पुनरागमन अतिचालकता (reentrant superconductivity) के अस्तित्व को प्रदर्शित करते हैं, जो एक ऐसी सामग्री श्रेणी है जो 40 K तक $T_c$ मान प्राप्त करने में सक्षम है। मुख्य निष्कर्ष निम्नलिखित हैं:

पुनरागमन अतिचालकता (Reentrant Superconductivity): कम $T_c$ (9.6 K और 11.7 K) वाले नमूनों में, प्रतिरोध वक्र कम क्षेत्रों ( $H \approx 1$ T) पर सामान्य अवस्था में एक तीव्र संक्रमण दिखाते हैं, जिसके बाद उच्च क्षेत्रों में एक पुनरागमन अतिचालक अवस्था दिखाई देती है। इस उच्च-क्षेत्र अवस्था की विशेषता एक विस्तृत प्रतिरोधकता न्यूनतम (15–20 T के आसपास केंद्रित) और प्रतिरोधकता में कई क्रमों की गिरावट है, जो एक डायमैग्नेटिक शिफ्ट द्वारा समर्थित है जो बल्क अतिचालकता का संकेत देता है।
फेज़ डायग्राम (Phase Diagrams): $T-H$ फेज़ डायग्राम दो अलग-अलग अतिचालक चरणों को प्रकट करते हैं: एक निम्न-क्षेत्र अतिचालक अवस्था (LFS) और एक उच्च-क्षेत्र-प्रेरित पुनरागमन अवस्था (HFS)। ये चरण तब विलीन हो जाते हैं जब चुंबकीय क्षेत्र को इन-प्लेन $a$ -अक्ष की ओर घुमाया जाता है या रासायनिक प्रतिस्थापन के माध्यम से $T_c$ बढ़ाया जाता है। उच्च $T_c$ वाले नमूनों में, LFS और HFS के बीच का संक्रमण फेज़ बाउंड्री में एक "किंक" (kink) के रूप में प्रकट होता है।
चरम क्रांतिक क्षेत्र (Extreme Critical Fields): उच्च-क्षेत्र अतिचालक अवस्था कुछ विन्यासों में 60 T से अधिक के असाधारण उच्च चुंबकीय क्षेत्रों तक बनी रहती है। उच्च $T_c$ वाले नमूनों के लिए, अतिचालकता पाउली पैरामैग्नेटिक सीमा (अनुमानित $\approx 20-39$ T, नमूने के आधार पर) से काफी आगे देखी जाती है, जहाँ 42 T पर भी $T_c$ केवल $\sim 1$ K से कम होता है।
तंत्र की पहचान (Mechanism Identification): डेटा जैकरिनो-पीटर प्रभाव (Jaccarino–Peter effect) के अनुरूप है, जो एक क्षेत्र-क्षतिपूर्ति तंत्र (field-compensation mechanism) है जहाँ एक आंतरिक एक्सचेंज फील्ड ( $H_J$ $H_{J}$ ), जो स्थानीयकृत चुंबकीय क्षणों द्वारा उत्पन्न होता है, लागू बाहरी क्षेत्र का विरोध करता है।
- XAS माप पुष्टि करते हैं कि लगभग 67% Eu साइट्स $Eu^{2+}$ विन्यास ( $J=7/2$ ) में हैं।
- एनोमलस हॉल प्रभाव ब्रिलुइन फंक्शन (Brillouin function) के लिए गणना की गई चुंबकत्व से मेल खाता है, जो $m_J = \pm 7/2$ के लिए $Eu^{2+}$ क्षणों की भूमिका का समर्थन करता है।
- संशोधित WHH मॉडल एक बड़े आंतरिक एक्सचेंज फील्ड ( $H_J \approx -59$ T से $-71$ T) का उपयोग करके प्रयोगात्मक फेज़ सीमाओं को सफलतापूर्वक पुनरुत्पादित करता है।
- क्रांतिक क्षेत्र की कोणीय निर्भरता एक 2D अतिचालक के लिए टिंखम मॉडल का अनुसरण करती है, जो एक बहुत ही छोटी इंटरलेयर कोहेरेंस लेंथ (interlayer coherence length) का सुझाव देती है।

महत्व
यह शोध दावा करता है कि ये निष्कर्ष इनफिनिट-लेयर निकलेट्स को एक दूसरा सिस्टम (चेव्रेल-फेज यौगिकों के बाद) स्थापित करते हैं जो आंतरिक एक्सचेंज फील्ड ( $H_J$ ) के लिए संशोधित WHH मॉडल द्वारा वर्णित है, लेकिन उच्च-तापमान अतिचालकता के विशिष्ट लाभ के साथ। क्यूप्रेट्स (cuprates) के समान $T_c$ (40 K तक) वाली सामग्री में पुनरागमन अतिचालकता का अवलोकन उच्च-तापमान वाले अतिचालकों के लिए एक मार्ग प्रशस्त करता है जो दर्जनों टेस्ला पर कार्य कर सकते हैं। लेखक तर्क देते हैं कि कंडक्शन बैंड में दुर्लभ-तत्व 5d इलेक्ट्रॉनों की भागीदारी एक संभावित एक्सचेंज पथ ( $4f \leftrightarrow 5d \leftrightarrow 3d_{Ni}$ ) प्रदान करती है, जो ट्रांजिशन-मेटल कंडक्शन इलेक्ट्रॉनों और दुर्लभ-तत्व 4f क्षणों को जोड़ती है—एक ऐसा तंत्र जो क्यूप्रेट्स या आयरन-आधारित सुपरकंडक्टर्स में संभवतः अनुपस्थित है।

यह कार्य सुझाव देता है कि इंजीनियर किए गए दुर्लभ-तत्व चुंबकत्व (rare-earth magnetism) का उपयोग उच्च- $T_c$ निकलेट्स में अल्ट्रा-हाई-फील्ड सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट, सेंसर और क्वांटम उपकरणों के लिए एक यथार्थवादी प्लेटफॉर्म के रूप में किया जा सकता है। इसके अलावा, इन डेटा के लिए (BCS सिद्धांत पर आधारित) WHH मॉडल का सफल अनुप्रयोग यह संकेत देता है कि निकलेट्स में पेयरिंग सिमेट्री 'इवन' (even/non-triplet) है, जो इन सामग्रियों में पेयरिंग तंत्र को समझने के लिए एक शुरुआती बिंदु प्रदान करता है, हालांकि अनकन्वेंशनल पेयरिंग सिमेट्री या नॉन-फोनन-मीडिएटेड तंत्रों से संबंधित प्रश्न अभी भी खुले हैं।