[論文レビュー] Emergence of high-temperature superconducting phase in the pressurized La3Ni2O7 crystals

Jun Hou, Pengtao Yang+13 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2023

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用数 27

ひとこと要約

La3Ni2O7結晶における高圧下の抵抗測定は、高温での超伝導様転移の署名を明らかにし、圧力誘起超伝導相の報告と一致。

ABSTRACT

The recent report of pressure-induced structure transition and signature of superconductivity with Tc = 80 K above 14 GPa in the La3Ni2O7 crystals has garnered considerable attention. To further elaborate this discovery, we carried out comprehensive resistance measurements on the La3Ni2O7 crystals grown with the optical-image floating zone furnace under oxygen pressure (15 bar) by using the diamond anvil cell (DAC) and cubic anvil cell (CAC), which employs the solid and liquid pressure transmitting medium, respectively. For the sample #1 measured in DAC, it exhibits a semiconducting-like behavior with large resistance at low pressures and becomes metallic gradually upon compression. At the pressures P >= 13.7 GPa, we observed the appearance of resistance drop as large as ~50% around 70 K, which evolves into a kink-like anomaly at pressures above 40 GPa and shifts to lower temperatures gradually with increasing magnetic field. These observations are consistent with the recent report mentioned above. On the other hand, the sample #2 measured in CAC retains the metallic behavior in the investigated pressure range up to 15 GPa. The hump-like anomaly in resistance around ~130 K at ambient pressure disappears at P >= 2 GPa. In the pressure range from 11 to 15 GPa, we observed the gradual development of a shoulder-like anomaly in resistance at low temperatures, which evolves into a pronounced drop of resistance by 98% below 62 K at 15 GPa, reaching a temperature-independent resistance of 20 uOhm below 20 K. Similarly, this resistance anomaly can be shifted to lower temperatures progressively by applying external magnetic fields, resembling a typical superconducting transition.

研究の動機と目的

• 圧力誘起の電子状態とLa3Ni2O7結晶における潜在的な超伝導相を、制御された酸素分圧の下で成長させた結晶で調査する。
• ダイヤモンドアンビルセルと立方体圧セルでの圧力約15–40+ GPaまでの抵抗挙動を特徴づける。
• 抵抗の異常と磁場を関連付け、超伝導の署名を特定する。
• 異なる加圧媒体と測定系を用いて作製された2つのサンプルを比較し、高Tc様挙動の再現性を評価する。

提案手法

• 15 bar O2下で光学像フローティングゾーン炉を用いてLa3Ni2O7結晶を合成する。
• solid-pressure mediumを用いたダイヤモンドアンビルセル（DAC）と liquid mediumを用いた立方体圧セル（CAC）で高圧抵抗測定を行う。
• 抵抗を圧力・温度・磁場の関数として、14–40+ GPaまで監視する。
• 相転移の指標として抵抗低下、kink様異常、 shoulder様特徴を同定する。
• DACとCACでのサンプル挙動を比較し、圧力伝達媒体の影響を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 La3Ni2O7は高圧下で超伝導様転移を示すか、どの温度と圧力で発生するか。
• RQ2 圧力伝達媒体（固体 vs 液体）は、La3Ni2O7に観測される電子転移にどのような影響を与えるか。
• RQ3 磁場依存性を考慮したとき、観測された抵抗特徴は超伝導と整合するか。
• RQ4 異なる結晶サンプルと実験系で高Tc様署名の再現性はどれくらいか。

主な発見

• サンプル #1（DAC）は低圧で半導体様抵抗を示し、圧力を増すと金属的になる；P >= 13.7 GPaで約50%の抵抗低下が現れ、40 GPaを超えると磁場依存シフトを伴うカーブへと発展する。
• サンプル #2（CAC）は15 GPaまで金属的な振る舞いを維持；常圧での約130 KでのくぼみはP >= 2 GPaで消失する；低温でショルダー様特徴が11–15 GPaの間に現れ、15 GPaで62 K以下で98%の大幅低下を生じ、20 K以下で抵抗が20 μΩへ飽和する；磁場依存の移動は超伝導転移に類似。
• 観測されたサンプル2の低温抵抗低下は高圧下で生じ、磁場依存性は超伝導様挙動と整合しており、La3Ni2O7における圧力誘起超伝導の prior報告と一致する。
• 2つのサンプルと測定系は基線挙動が異なる（半導体的から金属的へ一様という場合と全体的に金属的）にもかかわらず、両者とも圧力とともに移動する抵抗特徴を示し、超伝導の署名と整合する性質を示す。
• 全体として、本研究はLa3Ni2O7結晶における高温超伝導相署名を支持する圧力誘起の観測と prior報告と一致する。