[論文レビュー] Observation of perfect diamagnetism and interfacial effect on the electronic structures in Nd0.8Sr0.2NiO2 superconducting infinite layers

Shengwei Zeng, Xinmao Yin+14 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2021

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 21被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、高品質なNd0.8Sr0.2NiO2薄膜において完全な反磁性が確認され、体積超伝導性が裏付けられた。一方、極めて薄い薄膜（5.5 nm未満）では、界面効果および応力効果によって厚さに依存する電子的性質を示すバンド構造を有することが明らかになった。X線吸収スペクトロスコピーおよびバンド構造計算により、薄い薄膜ではNi-O混合が強化されていることが示され、これが持続的な負のホール係数および界面での超伝導性の出現を説明する。

ABSTRACT

Nickel-based complex oxides have served as a playground for decades in the quest for a copper-oxide analog of the high-temperature superconductivity. They may provide clues towards understanding the mechanism and an alternative route for high-temperature superconductors. The recent discovery of superconductivity in the infinite-layer nickelate thin films has fulfilled this pursuit. However, material synthesis remains challenging, direct demonstration of perfect diamagnetism is still missing, and understanding of the role of the interface and bulk to the superconducting properties is still lacking. Here, we show high-quality Nd0.8Sr0.2NiO2 thin films with different thicknesses and demonstrate the interface and strain effects on the electrical, magnetic and optical properties. Perfect diamagnetism is achieved, confirming the occurrence of superconductivity in the films. Unlike the thick films in which the normal-state Hall-coefficient changes signs as the temperature decreases, the Hall-coefficient of films thinner than 5.5 nm remains negative, suggesting a thickness-driven band structure modification. Moreover, X-ray absorption spectroscopy reveals the Ni-O hybridization nature in doped infinite-layer nickelates, and the hybridization is enhanced as the thickness decreases. Consistent with band structure calculations on the nickelate/SrTiO3 heterostructure, the interface and strain effect induce a dominating electron-like band in the ultrathin film, thus causing the sign-change of the Hall-coefficient.

研究の動機と目的

• Nd0.8Sr0.2NiO2無限層薄膜における超伝導性の確認を、完全な反磁性の直接観察によって行う。
• 薄膜厚さおよび界面効果が電子的および輸送特性に与える影響を調査する。
• 厚膜ではホール係数の符号が反転するのに対し、超薄膜ではその符号が維持される理由を理解する。
• X線吸収スペクトロスコピーを用いてNi-O混合の変化を調べ、電子構造の進化を解明する。

提案手法

• 脈動レーザー堆積法を用いて、SrTiO3基板上に厚さを変化させた高品質なNd0.8Sr0.2NiO2薄膜を成長させる。
• SQUID磁化計測定を用いて磁気応答を測定し、完全な反磁性を検出する。
• イン・スイットX線吸収スペクトロスコピーを用いてNi 2pおよびO K端スペクトルを分析し、Ni-O混合特性を抽出する。
• ホール効果測定を用いて、温度および薄膜厚さに応じたキャリアの種別と濃度の変化を追跡する。
• NiO/SrTiO3ヘテロ構造に対する密度汎関数理論計算を実施し、界面バンド構造および応力効果をモデル化する。
• 実験データと理論モデルの相関をとることで、超薄膜における電子的性質が支配的になる理由を説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Nd0.8Sr0.2NiO2は完全な反磁性を示すか。これは内在的超伝導性の確認となるか。
• RQ2 薄膜厚さはNd0.8Sr0.2NiO2におけるホール係数およびキャリア種別にどのように影響するか。
• RQ3 界面応力およびNi-O混合は、超薄膜ニッケレートの電子構造をどのように変化させるか。
• RQ4 なぜ5.5 nm未満の薄膜ではホール係数が負のまま維持されるのか。厚膜とは異なる理由は何か。
• RQ5 界面効果は、無限層ニッケレートにおける電子的性質をどの程度支配しているか。

主な発見

• Nd0.8Sr0.2NiO2薄膜において完全な反磁性が観測され、超伝導性の発現が裏付けられた。
• 5.5 nm未満の薄膜ではホール係数が負のまま維持され、継続的な電子的キャリア特性が示された。
• X線吸収スペクトロスコピーにより、薄い薄膜ではNi-O混合が強化されていることが判明し、共有性が増加していることと相関した。
• バンド構造計算により、界面応力が超薄膜で支配的な電子的性質を示すバンドを誘導することが明らかになった。
• 厚さに依存するバンド構造の変化が、超薄膜におけるホール係数符号反転の欠如を説明する。
• 界面および応力効果が、Nd0.8Sr0.2NiO2超薄膜における電子的性質の安定化および超伝導性の実現に不可欠であることが示された。