자기유도 초전도 재진입 현상 유럽 도핑 무한층 니켈산화물

초록

Eu와 Nd 희귀금속 이온이 동시에 존재하는 Nd₀.₇Eu₀.₃NiO₂ 얇은 막에서 약한 자기장이 초전도 상태를 억제하지만, 더 높은 자기장에서는 초전도가 다시 회복되는 재진입 현상이 관찰되었다. 이는 Eu²⁺와 Nd³⁺ 이온의 반대 자화 효과가 상쇄되는 Jaccarino‑Peter‑유사 메커니즘에 기인한다는 것이 실험적 증거와 모델링을 통해 제시된다.

상세 분석

본 연구는 무한층 구조를 갖는 니켈산화물 Nd₁₋ₓEuₓNiO₂ (x = 0.3)에서 Eu²⁺와 Nd³⁺ 두 종류의 희귀금속 이온이 동시에 존재할 때 나타나는 비정상적인 초전도 재진입 현상을 정밀히 규명한다. 먼저 고품질의 20–28 단위셀 두께 막을 LSA T와 NdGaO₃ 기판 위에 성장시켰으며, XRD와 STEM을 통해 결정구조와 두께가 균일함을 확인하였다. 전기저항 측정에서는 0 T에서 T₅₀% ≈ 9.5 K, 0 K 근처에서 완전한 저항소멸을 보였으며, 자기장을 수직 및 평면 방향으로 가했을 때 전형적인 초전도 억제와는 달리 3.5 T 전후에 초전도 전이 온도가 다시 상승하는 재진입 현상이 관찰되었다. 이는 저온(2–4 K)에서 전자기적 스위칭을 일으키는 두 개의 초전도 영역이 존재하고, 중간에 소산성(디스소시에이티드) 상태가 끼어 있음을 의미한다. 고자기장(최대 30 T)에서도 초전도 상태가 유지되는 점은 Jaccarino‑Peter 효과와 유사한 메커니즘을 시사한다.

홀 효과 분석에서는 R_xy = R₀B + R_sM 형태를 적용해 일반 홀과 비정상 홀(특히 R_sM 항)을 분리하였다. NdGaO₃ 위 비초전도 시료에서 저온에 비선형적인 R_xy(B) 곡선이 나타났으며, 이는 Eu²⁺와 Nd³⁺의 자화가 서로 반대 방향으로 기여함을 의미한다. 동일 조성의 초전도 시료에서도 정상 상태(10 K 이상)와 저온(2.5 K)에서 비정상 홀 성분이 관측되어, 자기장이 이온들을 포화 자화시키는 과정이 초전도 전이와 직접 연결됨을 확인하였다. 모델링에서는 Eu²⁺(S = 7/2)와 Nd³⁺(S = 3/2)의 유전자 교환 상수가 서로 부호가 반대이며, 외부 자기장이 이 두 이온의 자화량을 조절해 총 유효 자기장을 감소시키는 구간이 존재함을 제시한다. 따라서 저자극(≈3 T)에서는 총 자기장이 증가해 초전도가 억제되지만, 더 높은 자기장에서는 Eu²⁺의 반자화가 Nd³⁺의 자화와 상쇄되어 실질적인 내부 자기장이 감소하고, 초전도가 재개되는 것이다.

이러한 현상은 기존의 Jaccarino‑Peter 효과가 단일 희귀금속 이온(예: Eu²⁺)에 의해 설명되는 경우와 달리, 두 종류의 희귀금속 이온이 동시에 존재하면서 상쇄 메커니즘이 복합적으로 작용한다는 점에서 새로운 물리적 통찰을 제공한다. 또한, 재진입 초전도는 낮은 T_c(≈10 K)와 강한 파라자성 응답을 보이는 시료에서만 관찰되며, 이는 전자 구조가 Ni 3d와 희귀금속 f‑오비탈 사이의 혼합에 민감함을 의미한다. 따라서 이 연구는 무한층 니켈산화물에서 희귀금속 도핑이 초전도와 자기성 사이의 상호작용을 조절하는 강력한 도구가 될 수 있음을 보여준다.