[論文レビュー] Evidence for nodal superconductivity in infinite-layer nickelates

Shannon P. Harvey, Bai Yang Wang+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2022

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 17

ひとこと要約

本研究は、最適ドーピングされた無限層ニッケレート（La、Pr、Ndを基とする）のロンドン浸透深度を150 mKまで測定し、LaおよびPr試料ではノードを持つ超伝導性と汚れの強いd波対称性に一致する2次温度依存性を確認した。Nd試料は磁性不純物に起因する異常な挙動を示し、単純なギャップありまたはノードありモデルとは整合しない複雑な低温物理学を示している。

ABSTRACT

Infinite-layer nickelates present a new family of potential unconventional superconductors. A key open question is the superconducting pairing symmetry. We present low-temperature measurements of the London penetration depth in optimally doped La_{0.8}Sr_{0.2}NiO_{2}, Pr_{0.8}Sr_{0.2}NiO_{2}, and Nd_{0.8}Sr_{0.2}NiO_{2}. For La and Pr-nickelates, the superfluid density shows a quadratic temperature dependence, indicating nodal superconductivity in the presence of disorder. Nd-nickelate exhibits complex low-temperature behavior, which we attribute to magnetic impurities. These results are consistent with d-wave pairing.

研究の動機と目的

• 無限層ニッケレート、すなわち新しい非単純超伝導体の一族における超伝導対称性を特定すること。
• 超伝導ギャップがノードを持つかどうかを調査し、非単純対称性の主要な指標を明らかにすること。
• ロンドン浸透深度の温度依存性を用いてs波とd波対称性を区別すること。
• 不純物と磁性不純物がこれらの材料の超伝導特性に与える影響を評価すること。
• ニッケレートが銅酸化物と同等の対称性機構を持つかどうかを検証すること。

提案手法

• 150 mKまで冷却したLa0.8Sr0.2NiO2、Pr0.8Sr0.2NiO2、Nd0.8Sr0.2NiO2の薄膜試料を用い、相互誘導法でロンドン浸透深度λ(T)を測定する。
• 超伝導密度ns(T) = n_s(0) × (1 - T/Tc)^2 の温度依存性を用いてギャップ構造を推定する。
• ノードを持つ（2次）とノードなし（指数関数的）のギャップを区別するために、λ(T)データにべき乗則および指数関数的フィットを適用する。
• T** ≈ Tc であることを特徴とするドリーブ限界BCSモデルを用い、中程度の不純物効果を分析する。
• Δns/ns と 1/T のアレンニウスおよび対数-対数プロットを用い、スケーリング則の有無を評価し、期待される指数的またはべき乗則的傾向からの逸脱を検出する。
• 磁性不純物の影響を考慮し、磁性感受率の影響と比較し、転移の広がりを検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 無限層ニッケレートの超伝導ギャップにノードが存在するか。これは非単純対称性の兆候である。
• RQ2 これらの材料における対称性が、銅酸化物と同様にd_{x²−y²}-波対称性であるか。
• RQ3 不純物および磁性不純物が測定された浸透深度および超伝導密度に与える影響は。
• RQ4 なぜNd0.8Sr0.2NiO2は、標準的なノードありまたはギャップあり超伝導性とは整合しない異常な低温挙動を示すのか。
• RQ5 温度依存性の超伝導密度のスケーリングは、ドリーブ限界d波メカニズムで説明可能か。

主な発見

• La0.8Sr0.2NiO2およびPr0.8Sr0.2NiO2では、150 mKまで超伝導密度に2次温度依存性が観測され、ノードを持つ超伝導性と整合的である。
• LaおよびPr試料のデータは、ドリーブ限界d波BCSモデル（式2）に良好にフィットし、T** ≈ Tc であるため、中程度の不純物効果が存在することが示された。
• 超伝導密度のべき乗則的スケーリング（勾配 ≈ 1.7）が、Tc付近から150 mKまで持続しており、これは銅酸化物に類似した挙動である。
• Nd0.8Sr0.2NiO2では、1 K未満で見かけの超伝導密度が平坦化しており、指数関数的またはべき乗則的スケーリングとは整合しない。これは磁性不純物効果を示唆する。
• Nd試料の指数関数的フィットから得られる最小ギャップは0.8kBTcであり、BCS弱結合限界の1.76kBTcより著しく小さいため、観測された挙動は非超伝導的起源である可能性が高い。
• Ndニッケレートでは、広範かつ不規則な超伝導転移に加え、異常な磁場応答を示すため、磁性欠陥がその複雑な挙動の主な原因であると支持される。