[論文レビュー] High-temperature superconductivity with zero-resistance and strange metal behavior in La$_{3}$Ni$_{2}$O$_{7-δ}$

Yanan Zhang, Dajun Su+14 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2023

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 42

ひとこと要約

本研究は、La3Ni2O7に高圧（約20–30 GPa）を加えたときゼロ抵抗の超伝導性を示し、同時に奇異金属状態の正状態を示した。超伝導性と奇異金属挙動の関連を明らかにする。

ABSTRACT

Recently signatures of superconductivity were observed close to 80 K in \LN\ under pressure. This discovery positions \LN\ as the first bulk nickelate with high-temperature superconductivity, but the lack of zero resistance presents a significant drawback for validating the findings. Here we report pressure measurements up to over 30 GPa using a liquid pressure medium and show that single crystals of \LNO\ do exhibit zero resistance. We find that \LNO\ remains metallic under applied pressures, suggesting the absence of a metal-insulator transition proximate to the superconductivity. Analysis of the normal state $T$-linear resistance suggests an intricate link between this strange metal behaviour and superconductivity, whereby at high pressures both the linear resistance coefficient and superconducting transition are slowly suppressed by pressure, while at intermediate pressures both the superconductivity and strange metal behaviour appear disrupted, possibly due to a nearby structural instability. The association between strange metal behaviour and high-temperature superconductivity is very much in line with diverse classes of unconventional superconductors, including the cuprates and Fe-based superconductors. Understanding the superconductivity of \LNO\ evidently requires further revealing the interplay of strange metal behaviour, superconductivity, as well as possible competing electronic or structural phases.

研究の動機と目的

• 層状ニッケレート系を水平方向・高圧条件下での高温超伝導性の探索を動機付ける。
• La3Ni2O7が圧力下でゼロ電気抵抗を示すかを決定し、超伝導転移温度（Tc）をマップする。
• 正状態の抵抗率とその線形-in-T（奇異金属）挙動とTcとの関係を特徴づける。
• 圧力が超伝導性、奇異金属挙動、及び構造/電子相転移の可能性に与える影響を調べる。
• 発見をCuprateおよびFe系超伝導体と比較して、非従来型対電子結合機構を理解する。

提案手法

• 液体圧力媒体を使用したピストンシリンダーおよびダイヤモンドアンビルセルで、>30 GPaまでの静水圧を適用する。
• 圧力依存でTcの onset とゼロ抵抗状態を特定するために電気伝導度R(T)を測定する。
• 正状態のR(T)を線形-in-Tフィットで分析し、奇異金属挙動（A′係数）を定量化する。
• 磁場依存のR(T)を実施して上臨界場Hc2とその温度依存性を抽出する。
• 熱活性化フラックスフロー（TAFF）解析を用いて活性化エネルギーU0(H)とその場依存性を抽出する。
• 超伝導性と構造的/電子的相転移に関連する構造的考慮と潜在的相転移について議論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高圧下のLa3Ni2O7は、体積を含むゼロ抵抗を示す超伝導性を持つか？
• RQ2 観測された奇異金属挙動（線形-in-T抵抗）と高圧下の超伝導性の関係は？
• RQ3 Tcと奇異金属パラメータは圧力とともにどう進化し、構造相はどんな役割を果たすか？
• RQ4 CDWや構造転移など、超伝導性に影響を与える競合的電子/構造秩序の証拠はあるか？

主な発見

• La3Ni2O7は約40 Kでゼロ抵抗を示し、20.5 GPaでTc onsetは最大66 K。
• 材料は圧力下でも金属的であり、超伝導性近傍で金属絶縁体転移は起きない。
• 正状態の抵抗率は広い範囲でT線形挙動を示し、Tc最大付近で最も顕著で、A′は圧力とともに減少する。
• 上臨界場は20.5 GPaで約97 T、26.6 GPaで約83 Tに外挿される。
• 熱活性化フラックスフロー解析はU0(1 T) ≈ 702 Kを示し、U0(H) ∝ H^(-0.12)の弱い場依存を示す。
• TcとT-linear抵抗領域は20–16 GPa付近で最大となり、その後さらなる圧力で低下する。これは構造的不安定性および競合相との相互作用を示唆する。