Bilayer nickelates have recently emerged as one of the most exciting new families of superconductors, offering fresh opportunities to understand the mechanisms behind high-temperature superconductivity. Yet, reproducing superconductivity in thin films has proven extremely challenging, with seemingly similar samples often exhibiting strikingly different electronic properties. Understanding the origin of these discrepancies is a crucial step toward the reliable design of superconducting nickelate devices.
Researchers at IPCMS (CNRS–Université de Strasbourg) and LPS (Paris-Saclay) have taken an important step toward answering this question by studying a new family of materials known as bilayer nickelates, which recently attracted worldwide attention after superconductivity was discovered in them.
Using state-of-the-art electron microscopy and spectroscopy, the team investigated how subtle changes in the atomic structure and oxygen content influence the superconducting properties of ultrathin La3Ni2O7-δ films. Although samples can appear nearly identical using conventional structural characterization techniques, the researchers revealed that tiny variations in the stacking of atomic layers and the distribution of oxygen atoms can determine whether superconductivity appears or disappears.
One of the study’s most significant findings is the identification of a particular crystal stacking sequence that does not support superconductivity. This discovery helps explain why superconductivity in bilayer nickelate thin films has been notoriously difficult to reproduce and highlights the importance of precisely controlling both crystal structure and oxygen stoichiometry during fabrication. Beyond solving a long-standing materials challenge, the work provides practical guidelines for producing more stable superconducting nickelate thin films operating at ambient pressure. These insights bring scientists one step closer to designing and engineering a new generation of oxide superconductors for future electronic technologies.
Reference : Flavenot Mathieu, Sahib Hoshang, Robert Jerome, Lenertz Marc, Versini Gilles, Schlur Laurent, Gloter Alexandre, Viart Nathalie, Preziosi Daniele, Decoding superconductivity in La3Ni2O7-d Thin Films via Ozone-Driven Structure and Oxidation Tuning, Small Structures 2026, 0, e70542. http://doi.org/10.1002/sstr.70542
Using state-of-the-art resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) at the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), researchers performed the most comprehensive comparison to date of the magnetic, electronic and orbital excitations in infinite-layer nickelates and cuprates. The results reveal that nickelates share many of the key ingredients underlying unconventional superconductivity in cuprates, while also displaying important differences that help explain why their superconducting transition temperatures remain significantly lower.
The study shows that magnetic interactions in nickelates are intrinsically weaker than in cuprates, reducing the energy scale available for superconducting pairing. In addition, the rare-earth ions present in nickelates introduce a self-doping mechanism and a more three-dimensional electronic structure, if compared to the infinite-layer cuprates. Together, those findings establish infinite-layer nickelates as a new family of unconventional superconductors closely related to cuprates, while identifying the microscopic factors that currently limit their performance.
This work is the result of a close collaboration between IPCMS (CNRS–Université de Strasbourg), Politecnico di Milano, the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) and CNR-SPIN in Napoli. By combining complementary expertise in oxides growth, advanced synchrotron spectroscopy and theoretical modelling, the collaboration provides important new insights into one of the central challenges of condensed matter physics: understanding the mechanisms behind high-temperature superconductivity.
The results not only deepen our understanding of nickelate superconductors but also provide valuable guidelines for the design of future quantum materials with enhanced superconducting properties.
Figure 1 Fitting of dispersions of infinite layer nickelate PrNiO2 (PNO) and cuprate CaCuO2 (CCO) with the Linear Spin Wave (LSW) model fit. The definitions and values (in meV) of the four in-plane exchange coupling constants are displayed on the right.
Reference: Rosa, F., Sahib, H., Merzoni, G., Martinelli, L., Arpaia, R., Brookes, N. B., Castro, D. di, Wohlfeld, K., Zinouyeva, M., Salluzzo, M., Preziosi, D., & Ghiringhelli, G. (2026). Spin and orbital excitations in undoped infinite-layer superconducting PrNiO2 and insulating CaCuO2. Communications Materials. https://doi.org/10.1038/s43246-026-01266-y
Dans ce travail, nous démontrons un nouveau type de composant, un « transistor tunnel à filtrage de spin », construit en empilant quelques feuillets atomiques de matériaux bidimensionnels : deux électrodes de graphène séparées par une fine couche d’un semiconducteur antiferromagnétique, le CrSBr, qui joue le rôle de filtre à spin. Un tel empilement, appelé hétérostructure van der Waals, permet de combiner sur quelques nanomètres des fonctionnalités que l’on ne sait pas réunir dans les matériaux traditionnels.
Nous montrons que ce composant offre deux « boutons » électriques indépendants pour contrôler le filtrage du spin : d’une part, la tension appliquée entre les électrodes, qui incline le profil énergétique de la barrière tunnel et amplifie l’efficacité de filtrage de quelques pourcents à plusieurs milliers de pourcents ; d’autre part la tension de grille, comme dans un transistor classique, qui module encore davantage le signal dépendant du spin. Un modèle théorique de transport tunnel reproduit quantitativement ces observations, et des calculs de premiers principes valident la structure électronique du dispositif.
Ces résultats ouvrent une voie vers des circuits spintroniques reconfigurables tout-électriques, dans lesquels une même architecture pourrait, selon les tensions appliquées, se comporter comme une mémoire, un capteur magnétique ou une porte logique. Ils illustrent plus largement la promesse des matériaux 2D magnétiques pour concevoir la prochaine génération de composants quantiques et bas-consommation.
Des scientifiques de l’IPCMS (CNRS/Université de Strasbourg), l’Institut Jean Lamour (CNRS/Université de Lorraine) et de l’Institut de Chimie de Strasbourg (CNRS/ Université de Strasbourg) ont rapporté dans leur papier «MgO tunneling spintronics across capacitively-coupled atomic clusters» l’impact du carbone sur le transport électrique (polarisé en spin) à travers des jonctions tunnel magnétiques.
Il permet de combiner, avec une même cellule à enclume diamant, des expériences sur grandes installations synchrotron et des mesures optiques à haute pression en laboratoire, notamment en microscopie optique nonlinéaire. L’intégration d’une mesure in situ de la pression par fluorescence, réalisée directement dans un microscope de génération de seconde harmonique (SHG), garantit un suivi précis et continu des conditions expérimentales. La conception et l’intégration de ce dispositif reposent sur des développements instrumentaux en optique et en mécanique réalisés à l’IPCMS. Il a permis de mettre en évidence des transitions de phase ferroélectriques induites par une pression hydrostatique allant jusqu’à 60 GPa dans KNbO₃, une pérovskite ferroélectrique de référence. Publiés dans Physical Review Letters, ces travaux résultent d’une collaboration entre, l’Université du Luxembourg, l’Institut Néel et les synchrotrons SOLEIL et ESRF, et ouvrent de nouvelles perspectives pour l’étude multimodale des matériaux ferroélectriques sous conditions extrêmes.
Référence
Shoker et al., Re-emergence of a Polar Instability at High Pressure in KNbO3, Phys. Rev. Lett. 136, 056101 (2026) https://doi.org/10.1103/vwp9-tr7b < hal-05206803>
Fast Hydrogen Atom Diffraction through Monocrystalline Graphene, Pierre Guichard, Arnaud Dochain, Raphaël Marion, Pauline de Crombrugghe de Picquendaele, Nicolas Lejeune, Benoît Hackens, Paul-Antoine Hervieux, Xavier Urbain, Physical Review Letters 135, 263403 – Publié le 23 décembre 2025. DOI : 10.1103/wdx6-mrvm Archive ouverte : arXiv
Contact
Paul-Antoine Hervieux (Enseignant-chercheur de l’Université de Strasbourg à l’Institut de physique et chimie des matériaux de Strasbourg (IPCMS)
Magnetoresistive detection of spin waves, Quentin Rossi, Daniel Stoeffler, Gregoire De Loubens, Hugo Merbouche, Hicham Majjad, Yves Henry, Igor Ngouagnia, Aurelie Solignac, Matthieu Bailleul, Science Advances 11, eadx4126 – Publié le 15 août 2025. DOI : 10.1126/sciadv.adx4126 Archives ouvertes : HAL
Les gaz d’électrons bidimensionnels (2DEG) sont un élément fondamental de l’électronique moderne. Parmi les différents systèmes capables de les héberger, les hétérostructures d’oxydes complexes se distinguent particulièrement. En plus d’offrir une très haute mobilité électronique, ces systèmes permettent d’exploiter des propriétés uniques, telles que le couplage spin-orbite et les fortes corrélations électroniques. Ces spécificités ouvrent la voie à de nouvelles fonctionnalités, tout en créant des ponts vers des domaines comme la spintronique et la photonique. Dans ce contexte, la capacité à manipuler les 2DEG à l’aide de stimuli externes constitue un graal. Dans cette étude, les chercheurs ont démontré la création instantanée par éclairage d’un 2DEG à l’interface entre deux oxydes où un tel état électronique est autrement absent. Ainsi, ce 2DEG disparaît tout aussi rapidement dès que l’éclairage est interrompu. Il en résulte un effet de photo-conductance géante : sous éclairage, la conductance électrique est jusqu’à cinq ordres de grandeur plus élevée que dans le noir ! Ces effets sont observés à l’interface entre des couches minces de Nd1-xSrxNiO2 (x = 0, 0,05 et 0,2) et leur substrat SrTiO3.
Pour obtenir ces résultats, les chercheurs ont d’abord épitaxié par ablation laser pulsé des couches ultraminces de la perovskite Nd1-xSrxNiO3 (x = 0, 0,05 et 0,2) sur du SrTiO3. Par la suite, un processus de réduction topotactique a permis d’obtenir la phase à couches infinies Nd1-xSrxNiO2. Des mesures de transport électrique sous éclairage avec lumière ultraviolette et visible ont mis en évidence les effets de photoconductance et leur dépendance de l’énergie des photons. Pour déceler les mécanismes microscopiques expliquant la génération du 2DEG, l’équipe a combiné une étude très poussée de l’interface par microscopie électronique en transmission (4D-STEM) et spectroscopie de perte d’énergie des électrons (EELS) avec des calculs avancés de la théorie de la fonctionnelle de la densité. Ils ont ainsi mis en évidence que les éléments clés pour la génération du 2DEG sont les reconstructions structurelles et électroniques à l’interface NdNiO2//SrTiO3, ainsi que l’existence d’un champ électrique interfacial intrinsèque. Celui-ci favorise l’occupation de la bande de conduction à haute mobilité Ti-3dxy par les électrons photoexcités, les attirant vers l’interface et les séparant des trous laissés dans la bande de valence du Ti.
Ces résultats sont très intéressants, à la fois d’un point de vue fondamental et pour leurs applications potentielles. D’une part, ils révèlent comment de légères variations de la structure électronique à l’interface – qu’elles soient liées aux terminaisons des couches atomiques, à l’état d’oxydation local ou à la température – peuvent moduler de manière significative le confinement et la distribution des porteurs photo-générés dans les bandes interfaciales. D’autre part, cette compréhension fine des mécanismes microscopiques sous-jacents ouvre des perspectives prometteuses pour l’ingénierie de la photo-réponse des électrons fortement corrélés. Parmi les applications envisagées, on peut citer, par exemple, le contrôle optique de l’état supraconducteur des nickelâtes à couches infinies.
Les travaux présentés dans cet article sont issus d’une collaboration entre plusieurs laboratoires en France (LAF, IPCMS, LPS, SOLEIL), en Allemagne (University of Duisburg-Essen), en Espagne (Universidad Complutense de Madrid) et aux États-Unis (University of Florida). Ces travaux font partie d’un effort plus vaste au CNRS, dédié à la manipulation d’états électroniques par la lumière dans des oxydes fortement corrélés et leurs hétérostructures, incluant des supraconducteurs, des matériaux spintroniques et électroniques, dans le cadre des projets EIC Pathfinder « JOSEPHINE », T-ERC_STG ORBIFUN et « SPINMAT » du PEPR SPIN.
Figure 1: Représentation de la photo génération d’un gaz d’électrons bidimensionnel à l’interface entre deux oxydes
Figure 2 (a) Image de microscopie électronique en transmission combinée à la spectroscopie de perte d’energie d’électrons d’une hétérostructure NdNiO2//SrTiO3. (c) Résistance électrique vs température sous éclairage et dans le noir, montrant l’effet de photo-conductance géante (d) bandes d’énergie et niveau de Fermi à l’interface et dans plusieurs plans atomiques à partir de celle-ci, calculés par la théorie de la fonctionnelle de la densité.
Référence : Giant photoconductance at infinite-layer nickelate/SrTiO3 interfaces via an optically induced high-mobility electron gas. D. Sanchez-Manzano, G. Krieger, A. Raji, B. Geisler, V. Humbert, H. Jaffrès, J. Santamaría, R. Pentcheva, A. Gloter, D. Preziosi et Javier E. Villegas. Nature Materials, le 10 octobre 2025
