[論文レビュー] Character of the "normal state" of the nickelate superconductors

Kyuho Lee, Bai Yang Wang+11 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2022

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 12

ひとこと要約

本研究は、新規の (LaAlO3)0.3(Sr2TaAlO6)0.7 領域上に欠陥のない薄膜を成長させることにより、無限層ニッケレート超伝導体 (Nd1−xSrxNiO2) の内在的正準状態輸送特性を調査した。電子構造の違い（Mott-Hubbard絶縁体母体の欠如、多準位特徴など）にもかかわらず、ニッケレートの正準状態は銅酸化物と驚くほど類似した抵抗率の傾向を示し、高温超伝導の電子的起源に深い普遍性があることを示唆している。

ABSTRACT

The occurrence of superconductivity in proximity to various strongly correlated phases of matter has drawn extensive focus on their normal state properties, to develop an understanding of the state from which superconductivity emerges. The recent finding of superconductivity in layered nickelates raises similar interests. However, transport measurements of doped infinite-layer nickelate thin films have been hampered by materials limitations of these metastable compounds - in particular, a relatively high density of extended defects. Here, by moving to a substrate (LaAlO$_{3}$)$_{0.3}$(Sr$_{2}$TaAlO$_{6}$)$_{0.7}$ which better stabilizes the growth and reduction conditions, we can synthesize the doping series of Nd$_{1-x}$Sr$_{x}$NiO$_{2}$ essentially free from extended defects. This enables the first examination of the 'intrinsic' temperature and doping dependent evolution of the transport properties. The normal state resistivity exhibits a low-temperature upturn in the underdoped regime, linear behavior near optimal doping, and quadratic temperature dependence for overdoping. This is strikingly similar to the copper oxides, despite key distinctions - namely the absence of an insulating parent compound, multiband electronic structure, and a Mott-Hubbard orbital alignment rather than the charge-transfer insulator of the copper oxides. These results suggest an underlying universality in the emergent electronic properties of both superconducting families.

研究の動機と目的

• ニッケレート超伝導体の正準状態を研究する際の材料的制限、特に従来の薄膜に高い欠陊密度が存在するという点を克服すること。
• 新規な酸化物基板 (LaAlO3)0.3(Sr2TaAlO6)0.7 を用いて、高品質で欠陥のない Nd1−xSrxNiO2 薄膜の安定化および成長を実現すること。
• 初めてとして、ニッケレート正準状態のドーピングおよび温度依存の輸送特性を、内在的性質に着目して調査すること。
• ニッケレートの正準状態行動を銅酸化物と比較し、高温超伝導のメカニズムに普遍性があるかどうかを評価すること。

提案手法

• 構造的および電子的安定性を向上させるために、(LaAlO3)0.3(Sr2TaAlO6)0.7 基板上に Nd1−xSrxNiO2 薄膜を合成すること。
• エピタキシャルで力学的に不安定な無限層ニッケレート薄膜を、拡張欠陥を最小限に抑えたパulsed laser deposition (PLD) を用いて成長させること。
• ドーピングレベル（x）と温度に応じた電気的抵抗率の測定を、ドーピング不足、最適ドーピング、過ドーピング領域で行うこと。
• 抵抗率の温度依存性を分析し、ドーピングレベルに応じた明確な関数的形（上昇、線形、2次関数的）の違いを特定すること。
• 観察された輸送傾向を銅酸化物超伝導体のそれと比較し、正準状態物理学の類似性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Nd1−xSrxNiO2 の正準状態における内在的輸送特性は、温度およびホールドーピングとどのように変化するか？
• RQ2 電子構造に根本的な違いがあるにもかかわらず、ニッケレートの正準状態抵抗率行動が銅酸化物超伝導体のそれとどの程度類似しているか？
• RQ3 ニッケレートに Mott-Hubbard 絶縁体母体化合物が存在しないという事実を、銅酸化物に類似した正準状態行動と調和させることは可能か？
• RQ4 観察された抵抗率の変化が、ニッケレートにおける電子相関および対称性形成メカニズムの本質をどのように示唆するか？
• RQ5 異なる高臨界温度超伝導体のファミリー間で、普遍的な正準状態行動の証拠はあるか？

主な発見

• ドーピング不足領域における Nd1−xSrxNiO2 の正準状態抵抗率は低温で上昇を示し、局在化または短距離相関の存在を示している。
• 最適ドーピング付近（x ≈ 0.15）では抵抗率が温度に線形に依存し、これは銅酸化物にも見られる限界フェルミ液体行動の特徴である。
• 過ドーピング領域では抵抗率が温度に対して2次関数的に従い、フェルミ液体的散乱過程と整合的である。
• Mott-Hubbard 絶縁体母体の欠如、多準位特徴、Mott-Hubbard 軌道整列といった主な違いがあるにもかかわらず、ニッケレートにおける観察された抵抗率傾向は銅酸化物超伝導体と驚くほど類似している。
• 両ファミリー間で正準状態輸送行動の類似性が示されたことから、高温超伝導の駆動要因である電子的メカニズムに深い普遍性がある可能性が示唆される。
• 本結果は、ニッケレートの正準状態が強い電子相関によって本質的に支配されており、この高品質薄膜系では輸送特性が外部的欠陥によって支配されていないことを確立している。