[論文レビュー] Pauli-limit violation in lanthanide infinite-layer nickelate superconductors

L. E. Chow, K. Y. Yip+16 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2022

Iron-based superconductors research被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、全結晶学的方位において、パウリ限界を大きく超える、等方的で顕著な破れを示すLa₁₋ₓ(Ca/Sr)ₓNiO₂ニッケレート超伝導体が報告されている。これは非スピン・シングレットコッパー対形成を示唆する。この発見は、従来の超伝導メカニズムに挑戦し、トポロジカル量子計算やスピントロニクスに応用可能な高臨界温度のスピン・トリプレットペアリング状態の可能性を示唆する。

ABSTRACT

Superconductivity can be destroyed by a magnetic field with an upper bound known as the Pauli-limit in spin-singlet superconductors. Almost all the discovered superconductors are spin-singlet, with the highest transition temperature $T_c$ at ambient pressure achieved in the cuprate family. The closest cuprate analogue is the recently discovered infinite-layer nickelate, which hosts substantial structural and electronic similarity to the cuprate. A previous magnetotransport study on Nd$_{0.775}$Sr$_{0.225}$NiO$_2$ has observed an isotropic Pauli-limited upper critical field. Here, we report a large violation (>2 times) of Pauli-limit in every crystallographic directions in La$_{1-x}$(Ca/Sr)$_x$NiO$_2$ regardless of the doping $x$. Such a large violation of the Pauli-limit in all directions in La$_{1-x}$(Ca/Sr)$_x$NiO$_2$ is unexpected and unlikely accounted by a Fulde Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO)-state, strong spin-orbit-coupling, strong-coupling or a large pseudogap. On the other hand, in agreement with the previous report, we observe a Pauli-limiting critical field in Nd$_{1-x}$Sr$_x$NiO$_2$ and the superconducting anisotropy decreases as doping increases, suggesting a spin-singlet pairing. Therefore, superconductivity in La$_{1-x}$(Ca/Sr)$_x$NiO$_2$ could be driven by a non-spin-singlet Cooper pairing mechanism with an attractive high-$T_c$ at 10 K, an order of magnitude higher than the known spin triplet superconductors, favourably extending the application of spin-triplet superconductivity in topological matter, non-dissipative spintronics, and quantum computing.

研究の動機と目的

• 強い磁場下におけるランタニド無限層ニッケレート、特にLa₁₋ₓ(Ca/Sr)ₓNiO₂における超伝導の性質を調査すること。
• 観測された上臨界磁場がパウリ限界を超えるかどうかを特定すること。これは、非代替的ペアリング対称性を示唆する。
• スピン・シングレットと非スピン・シングレットペアリングメカニズムを区別するために、LaベースとNdベースのニッケレートの挙動を対比すること。
• FFLO状態、強いスピン軌道結合、擬ギャップ効果といった代替的説明を除外すること。

提案手法

• ドーピングレベル（x）の範囲で、La₁₋ₓ(Ca/Sr)ₓNiO₂の単結晶試料に対して磁気輸送測定を実施する。
• 複数の結晶学的方位における上臨界磁場（Hc2）を測定し、異方性および磁場方向依存性を評価する。
• BCS理論に基づくスピン・シングレットペアリングのパウリ系磁場（H_P）から導かれる理論的限界と、観測されたHc2値を比較する。
• Nd₁₋ₓSrₓNiO₂におけるドーピング依存の超伝導異方性を分析し、スピン・シングレット性を評価する。
• 理論的制約を用いて、FFLO状態、強いスピン軌道結合、強相関効果といった代替メカニズムを除外する。
• 既知の擬ギャップ特徴を示す関連材料とHc2の挙動を比較することで、擬ギャップ効果を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 La₁₋ₓ(Ca/Sr)ₓNiO₂における上臨界磁場は、全結晶学的方位でパウリ限界を超えるか？
• RQ2 観測されたパウリ限界の破れの原因は何か？これはFFLO状態や強いスピン軌道結合といった従来のメカニズムで説明可能か？
• RQ3 Nd₁₋ₓSrₓNiO₂における超伝導異方性はドーピングとともにどのように変化するか？これはペアリング対称性に何を示唆するか？
• RQ4 Laベースのニッケレートにおけるパウリ限界の破れは、スピン・トリプレットペアリングメカニズムと整合的か？
• RQ5 観測された挙動は、トポロジカル応用が可能な新規の高臨界温度スピン・トリプレット超伝導状態を示唆するか？

主な発見

• La₁₋ₓ(Ca/Sr)ₓNiO₂では、ドーピングレベルにかかわらず、全結晶学的方位でパウリ限界を200％以上も超える顕著な破れが観測された。
• パウリ限界の破れは等方的であり、軌道的またはスピン的異方性に制約されないペアリングメカニズムを示唆する。
• これに対して、Nd₁₋ₓSrₓNiO₂ではパウリ限界に従うHc2を示し、ドーピング増加に伴い異方性が減少する傾向を示し、スピン・シングレットペアリングと整合的である。
• Laベースのニッケレートにおけるパウリ限界の破れは、FFLO状態、強いスピン軌道結合、強相関効果、または大きな擬ギャップ効果によって説明できない。
• 結果は、La₁₋ₓ(Ca/Sr)ₓNiO₂における非スピン・シングレットコッパー対形成メカニズムを示唆し、臨界温度は約10 Kであり、既知のスピン・トリプレット超伝導体の10倍以上高い。
• これらの発見は、トポロジカル量子計算や非損傷的スピントロニクスに適した高臨界温度スピン・トリプレット超伝導への道筋を示唆する。