[論文レビュー] Pairing symmetry in infinite-layer nickelate superconductor

L. E. Chow, S. Kunniniyil Sudheesh+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 17

ひとこと要約

本研究は、高品質な (Nd,Sr)NiO₂ および (La,Ca)NiO₂ 薄膜を用いたローレンの浸透深度測定を通じて、無限層ニッケレート超伝導体における対称性を特定した。ネホディウム系ニッケレートではノードなしの (d+is)-波対称性の秩序パラメータが示され、ランタニド系系とは対照的である。これは、d波仮説を揺るがし、単純なd波対称性を超えるより複雑な対称性機構を示唆している。

ABSTRACT

The superconducting infinite-layer nickelate family has risen as a promising platform for revealing the mechanism of high-temperature superconductivity. However, its challenging material synthesis has obscured effort in understanding the nature of its ground state and low-lying excitations, which is a prerequisite for identifying the origin of the Cooper pairing in high-temperature superconductors. In particular, the superconducting gap symmetry of nickelates has hardly been investigated and remains controversial. Here, we report the pairing symmetry of the infinite-layer nickelates determined by London penetration depth measurements in neodymium-based (Nd,Sr)NiO$_2$ and lanthanide-based (La,Ca)NiO$_2$ thin films of high crystallinity. A rare-earth-specific order parameter is observed. While the lanthanide nickelates follow dirty line-node behaviour, the neodymium-counterpart exhibits nodeless order parameters such as the $(d+is)$ wave. In contrast to the cuprates, our results suggest that the superconducting order parameter in nickelates is beyond a single $d_(x^2-y^2 )$-wave gap. Furthermore, the superfluid density shows a long tail near the superconducting transition temperature which is consistent with the emergence of a two-dimensional to three-dimensional crossover in the superconducting state. These observations challenge the early theoretical framework and propel further experimental and theoretical interests in the pairing nature of the infinite-layer nickelate family.

研究の動機と目的

• 無限層ニッケレートにおける超伝導ギャップ対称性に関する長年の論争を解決すること。
• ニッケレート科の系統的分析を通じて高温超伝導体におけるクーペル対の性質を理解すること。
• 希土類カチオンが超伝導秩序パラメータ対称性を決定する役割を調査すること。
• 超伝導体の状態における次元性の変化を、超伝導体密度測定によって探る。
• ニッケレートにおいて d_{x²−y²}-波対称性を仮定する既存の理論枠組みに挑戦すること。

提案手法

• 高い結晶性を有する (Nd,Sr)NiO₂ および (La,Ca)NiO₂ のエpitaxial薄膜に対して高精度なローレンの浸透深度測定を実施した。
• 温度依存の磁気浸透深度を用いて超伝導体密度を抽出し、超伝導ギャップの対称性を推定した。
• 浸透深度の温度依存性を分析し、ノードなしとノードありのギャップ構造を区別した。
• 理論的モデル（d波、s波、(d+is)-波）と観測結果を比較した。
• 2次元から3次元への次元的変化モデルを用いて、Tc付近での超伝導体密度の長い尾部を解釈した。
• ネホディウム系とランタニド系ニッケレート系の系統的比較を通じて、希土類元素特有の効果を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 無限層ニッケレートにおける超伝導状態の対称性は何か？
• RQ2 ネホディウム系とランタニド系ニッケレートにおける超伝導ギャップ構造はどのように異なるか？
• RQ3 ニッケレートにおける超伝導秩序パラメータは、銅酸化物と同様に単純な d_{x²−y²}-波対称性に従うか？
• RQ4 Tc付近での超伝導体密度の長い尾部の起源は何か？ これは次元性に何を示唆するか？
• RQ5 希土類カチオンは超伝導ギャップ対称性および対称性機構にどのように影響を与えるか？

主な発見

• ネホディウム系 (Nd,Sr)NiO₂ はノードなしの超伝導ギャップを示し、(d+is)-波対称性を示しており、単純な d_{x²−y²}-波対称性を超える複雑な対称性状態を示している。
• これに対して、ランタニド系 (La,Ca)NiO₂ は不純物散乱を伴うドリフトラインノード行動を示し、d_{x²−y²}-波ギャップと整合的である。
• 両システムにおける超伝導体密度は Tc 付近で長い尾部を示しており、超伝導状態における2次元から3次元への次元的変化を示している。
• 観測された希土類元素特有の秩序パラメータ対称性は、電子状態およびスピン軌道結合効果がニッケレート対称性において重要な役割を果たしていることを示唆している。
• 結果は、ニッケレートが初期の理論的仮定である d_{x²−y²}-波超伝導体であるという仮定を覆し、新たな理論枠組みの必要性を示している。
• 本研究は、異なるニッケレート科の対称性に明確な違いを示し、カチオン依存の電子状態効果の重要性を強調している。