[論文レビュー] Effects of Pressure and Doping on Ruddlesden-Popper phases Lan+1NinO3n+1

Mingxin Zhang, Cuiying Pei+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2023

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、ランタノイドニッケレート系 Laₙ₊₁NiₙO₃ₙ₊₁ における多結晶 Ruddlesden-Popper相（n = 1, 2, 3）の外部圧力および化学ドーピング効果を調査する。La₃Ni₂O₇では圧力誘起超伝導が観測され、臨界温度Tcが最大86 Kに達するが、La₂NiO₄ や La₄Ni₃O₁₀ では50 GPaまでの圧力下でも超伝導は観測されず、n = 2相が高Tcニッケレート超伝導において特異的な役割を果たしていることが示された。

ABSTRACT

Recently the discovery of superconductivity with a critical temperature Tc up to 80 K in Ruddlesden-Popper phases Lan+1NinO3n+1 (n = 2) under pressure has garnered considerable attention. Up to now, the superconductivity was only observed in La3Ni2O7 single crystal grown with the optical-image floating zone furnace under oxygen pressure. It remains to be understood the effect of chemical doping on superconducting La3Ni2O7 as well as other Ruddlesden-Popper phases. Here, we systematically investigate the effect of external pressure and chemical doping on polycrystalline Ruddlesden-Popper phases. Our results demonstrate the application of pressure and doping effectively tunes the transport properties of Ruddlesden-Popper phases. We find pressure-induced superconductivity up to 86 K in La3Ni2O7 polycrystalline sample, while no signatures of superconductivity are observed in La2NiO4 and La4Ni3O10 systems under high pressure up to 50 GPa. Our study sheds light on the exploration of high-Tc superconductivity in nickelates.

研究の動機と目的

• ランタノイドニッケレートの多結晶 Ruddlesden-Popper相に対する外部圧力および化学ドーピングの影響を体系的かつ包括的に調査すること。
• n = 1およびn = 3相においても、以前に報告されたn = 2のLa₃Ni₂O₇における超伝導と同様に、高圧下で超伝導が誘起されるかどうかを特定すること。
• 圧力およびドーピングによる構造的・電子的調整が、ニッケレート系における高Tc超伝導状態の安定化に果たす役割を解明すること。
• Ruddlesden-Popper系列における異なるn値の比較を通じて、ニッケレートにおける高Tc超伝導の起源を明らかにすること。

提案手法

• 固体反応法を用いて、n = 1, 2, 3のLaₙ₊₁NiₙO₃ₙ₊₁の多結晶試料を合成する。
• 立方体アニュイルプレスを用いて最大50 GPaの静水圧を印加し、圧力依存の輸送特性を調査する。
• 電気抵抗率および磁化率の測定を圧力および温度変化の下で行い、超伝導転移を検出する。
• X線回折を用いて多結晶試料の相純度および構造的完全性を確認する。
• 異なるn値における超伝導行動の比較を通じて、超伝導を促進する構造的または電子的要因を特定する。
• 抵抗率および磁化率データを用いて、圧力誘起によるキャリア密度および電子相関の変化を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 n = 2相と同様に、多結晶La₂NiO₄およびLa₄Ni₃O₁₀においても高圧静水圧下で超伝導が誘起可能か？
• RQ2 単結晶ではなく多結晶試料を用いた場合、La₃Ni₂O₇における圧力下での最大臨界温度Tcはどの程度に達するか？
• RQ3 化学ドーピングは、ランタノイドニッケレートのRuddlesden-Popper相における超伝導転移温度にどのように影響するか？
• RQ4 n = 2相が他のn値と比較して、高圧下で高Tc超伝導を特徴づけるために不可欠な構造的または電子的要因は何か？

主な発見

• 多結晶La₃Ni₂O₇では圧力誘起超伝導が観測され、臨界温度Tcが最大86 Kに達した。これは、単結晶試料における以前の報告を上回る。
• La₂NiO₄ や La₄Ni₃O₁₀ では、50 GPaまでの圧力下でも超伝導転移は検出されず、n = 2相が超伝導に対して特異的に有利であることが示された。
• 多結晶形態でもLa₃Ni₂O₇における圧力下の超伝導転移は強く、再現可能であり、圧力が超伝導状態の安定化に寄与していることが確認された。
• n = 1およびn = 3相では高圧下でも超伝導が観測されないことは、n = 2相特有の層構造および電子的構造が高Tc超伝導を可能にする上で不可欠であることを示唆している。
• 本研究の結果は、圧力下で超伝導を示す唯一の系列メンバーがn = 2のRuddlesden-Popper相であることを確認し、その特異な電子的性質を強調している。
• 本研究は、外部圧力が特にn = 2相において、ニッケレート系における超伝導の誘起に非常に効果的な調整パrameterであることを示している。