[論文レビュー] Identification of the superconductivity in bilayer nickelate La$_3$Ni$_2$O$_7$ upon 100 GPa

Jing Li, Peng, Di+15 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2024

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 5

ひとこと要約

この研究は高圧下で La3Ni2O7 におけるバルク超伝導を示し、18 GPa で Tc onset が 83 K、約40 GPa で構造転移、80 GPa まで Meissner の証拠が確認され、22 GPa で最大 62.7% の超伝導体積分率を含む。

ABSTRACT

Identification of superconductivity in the Ruddlesden-Popper phases of nickelates under high pressure remains challenging. Here, we report a comprehensive study of the crystal structure, resistance, and Meissner effect in single crystals of La$_3$Ni$_2$O$_7$ with hydrostatic pressures up to 104 GPa. X-ray diffraction measurements reveal a structural transition from the orthorhombic to a tetragonal phase above 40 GPa. Zero resistance of the superconductivity was achieved with a maximum onset $T_c^{onset}$ of 83 K at 18.0 GPa. Superconductivity is gradually suppressed until it disappears above 80 GPa, resulting in a right-triangle-like superconducting region. The direct-current magnetic susceptibility technique successfully detected the Meissner effect in La$_3$Ni$_2$O$_7$ under pressure; the maximum superconducting volume fraction is estimated to be 62.7% at 22.0 GPa. Thus, we demonstrate the bulk nature of superconductivity in the bilayer nickelate La$_3$Ni$_2$O$_7$ single crystals under high pressure. The results reveal intimate connections among the superconductivity, oxygen content, and structure in La$_3$Ni$_2$O$_7$.

研究の動機と目的

• 激しい圧力下で Ruddlesden-Popper 型ニコケートにおける超伝導の探索を促進する。
• 結晶構造、電気抵抗、磁気応答が、約104 GPaまでの静水圧下でどのように進化するかを特徴づける。
• La$_3$Ni$_2$O$_7$ における超伝導のバルク性と、それが酸素含有量および構造変化とどう関連するかを確立する。
• 圧力下での超伝導相の範囲と体積分率を定量化する。

提案手法

• 104 GPaまでの圧力下で構造相を追跡するためにX線回折を行う。
• 超伝導のゼロ抵抗 onset を特定するために電気抵抗を測定する。
• 直接電流磁化率(DC magnetic susceptibility) を用いて Meissner 効果を検出し、超伝導体積分率を推定する。
• La$_3$Ni$_2$O$_7$ の単結晶を静水圧下で研究し、構造・輸送・磁性を関連づける。
• Tc onset の圧力依存性と超伝導が持続する圧力範囲を決定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 La$_3$Ni$_2$O$_7$ は約100 GPaまでの高圧下で超伝導を示すか。
• RQ2 圧力の関数としての Tc onset はどうなるか、構造変化と共にどのように進化するか。
• RQ3 観測された超伝導は Meissner 効果および体積分率の測定によって証明されるように、バルク特性なのか。
• RQ4 圧力下での超伝導、酸素含有量、結晶構造はどのように相互関連するか。
• RQ5 超伝導が存在する圧力範囲はどこで、どのように高圧で消失するか。

主な発見

• 18.0 GPa で Tc onset が 83 K のゼロ抵抗超伝導を観測。
• 80 GPa を超えて超伝導は徐々に消失し、直角三角形のような超伝導領域を描く。
• DC 磁化率は Meissner 効果を検出し、22.0 GPa で最大の超伝導体積分率 62.7% を示す。
• X線回折は40 GPa を超えると直交相から正方晶相への構造転移を示す。
• 結果は高圧下で La$_3$Ni$_2$O$_7$ にバルク超伝導を示し、超伝導と酸素含有量および構造の関連を明らかにする。