[論文レビュー] Absence of superconductivity in bulk Nd1-xSrxNiO2 (x = 0.2, 0.4)

Qing Li, Chengping He+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2019

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、3段階の手法を用いて、体積状のNd1-xSrxNiO2 (x = 0.2, 0.4)を合成し、超伝導性を示さないことが判明した。これは、超伝導性を示す薄膜と構造的に類似しているにもかかわらずである。抵抗率および磁気測定により、絶縁体的挙動とパラ磁気的モーメントが確認された。高圧実験では絶縁体的性質が抑制されたが、超伝導性は誘起されず、薄膜の超伝導性は、体積状のNi2+ 3d9状態ではなく、界面または応力効果に起因する可能性があることが示唆された。

ABSTRACT

Recently superconductivity at 9 - 15 K was discovered in an infinite-layer nickelate (Nd$_{0.8}$Sr$_{0.2}$NiO$_2$ films), which has received enormous attention. Since the $Ni^{1+}$ ionic state in NdNiO$_2$ may have the $3d^9$ outer-shell electronic orbit which resembles that of the cuprates, it is very curious to know whether superconductivity discovered here has similar mechanism as that in the cuprates. By using a three-step method, we successfully synthesize the bulk samples of Nd$_{1-x}$Sr$_x$NiO$_2$ (x=0, 0.2, 0.4). The X-ray diffractions reveal that all the samples contain mainly the infinite layer phase of 112 with some amount of segregated Ni. This has also been well proved by the SEM image and the EDS composition analysis. The resistive measurements on the Sr doped samples show insulating behavior without the presence of superconductivity. Temperature dependence of the magnetic moment under high magnetic fields exhibits a Curie-Weiss law feature with the paramagnetic moment of about 2$\mu_B$/f.u.. By applying pressure on Nd$_{0.8}$Sr$_{0.2}$NiO$_2$ up to about 50.2 GPa, we find that the strong insulating behavior at ambient pressure is significantly suppressed, but superconductivity has not been observed either. Since the lattice constants derived from our XRD data are very close to those of the reported superconducting films, we argue that the superconductivity in the reported film may not originate from the expected Nd$_{0.8}$Sr$_{0.2}$NiO$_2$, but arise from the interface or the stress effect.

研究の動機と目的

• 最近報告された無限層ニッケレート薄膜と同様に、体積状のNd1-xSrxNiO2 (x = 0.2, 0.4) が超伝導性を示すかどうかを調査すること。
• 薄膜における超伝導メカニズムが、NdNiO2相の固有の性質に起因するのか、それとも歪みや界面などの外的要因に起因するのかを特定すること。
• 抵抗率、磁化率、高圧測定を用いて、体積状のNd1-xSrxNiO2の電子的および磁気的性質を調査すること。
• 体積状試料と超伝導薄膜との間で、格子定数および相純度を比較し、構造的一致性を評価すること。

提案手法

• 体積状のNd1-xSrxNiO2 (x = 0.2, 0.4) の相純度を確保するため、3段階の固体状態合成法を採用した。
• X線回折(XRD)を用いて、無限層112相の存在を確認し、ニッケル過剰相の有無を検出した。
• 走査型電子顕微鏡(SEM)およびエネルギー分散型X線スペクトロスコピー(EDS)を用いて、相の組成および微細構造を検証した。
• 温度依存の電気抵抗率を測定し、金属的または超伝導的挙動を調査した。
• 高磁場下での温度依存の磁化率を測定し、パラ磁気的挙動およびキュリー・ワイス則の特徴を評価した。
• 水圧を約50.2 GPaまで印加し、Nd0.8Sr0.2NiO2における圧力誘起超伝導性の有無をテストした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 体積状のNd1-xSrxNiO2 (x = 0.2, 0.4) は、報告された超伝導薄膜と同様に超伝導性を示すか？
• RQ2 体積状のNd1-xSrxNiO2の電子的性質は、特に格子定数および相純度の観点から、超伝導薄膜と整合的か？
• RQ3 高圧を印加することで、常圧下の体積状試料で観察された絶縁体的挙動が抑制され、超伝導性が誘起されるか？
• RQ4 報告された薄膜における超伝導性は、体積状のNi2+ 3d9状態ではなく、歪みや界面結合などの外的要因に起因する可能性があるか？

主な発見

• 体積状のNd1-xSrxNiO2 (x = 0.2, 0.4) は、2 Kまで超伝導性の兆候なしに絶縁体的抵抗率を示した。
• XRD、SEM、EDS分析により、無限層112相が確認され、わずかなニッケル過剰相が検出された。
• 高磁場下での磁化率測定はキュリー・ワイス則に従い、1式量あたり約2 μBのパラ磁気的モーメントを示し、局在した磁気的モーメントが存在することを示した。
• 高圧実験により、Nd0.8Sr0.2NiO2における絶縁体的挙動は約50.2 GPaまで抑制されたが、超伝導性は出現しなかった。
• XRDから得られた格子定数は、超伝導薄膜と非常に近い値であり、構造的一致性は高いが、体積状の超伝導性を誘起するには不十分であることが示唆された。
• 体積状試料に超伝導性が認められないことから、薄膜における超伝導性は、界面工学や歪みといった体積的でない効果に起因している可能性が高い。