[論文レビュー] Pressure-dependent "Insulator-Metal-Insulator" Behavior in Sr-doped La$_3$Ni$_2$O$_7$

Mingyu Xu, Shuyuan Huyan+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2023

High-pressure geophysics and materials被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、20 GPaおよび1400 °Cの高温高圧下で合成されたSrドープLa₃Ni₂O₇単結晶における圧力誘起絶縁体-金属-絶縁体遷移を調査する。単結晶X線回折および電気的輸送測定を用いて、SrドーピングがNi²⁺/Ni³⁺比とバンド充填度を変化させ、10 GPa以上で金属的状態を示し、10.7 GPaを超えると再び絶縁体的挙動が現れることを明らかにした。これは母体化合物とは対照的であり、ニッケレートにおける超伝導の実現が困難である要因を示唆している。

ABSTRACT

Recently, superconductivity at high temperatures has been observed in bulk La$_3$Ni$_2$O$_{7-δ}$ under high pressure. However, the attainment of high-purity La$_3$Ni$_2$O$_{7-δ}$ single crystals, exhibiting controlled and homogeneous stoichiometry through the post-annealing process in an oxygen-rich floating zone furnace, remains a formidable challenge. Here, we report the crystal structure and physical properties of single crystals of Sr-doped La$_3$Ni$_2$O$_7$ synthesized at high pressure (20 GPa) and high temperature (1400 °C). Through single crystal X-ray diffraction, we showed that high-pressure-synthesized paramagnetic Sr-doped La$_3$Ni$_2$O$_7$ crystallizes in an orthorhombic structure with Ni-O-Ni bond angles of 173.4(2)°out-of-plane and 175.0(2)°and 176.7(2)°in plane. The substitution of Sr alters in band filling and the ratio of Ni$^{2+}$/Ni$^{3+}$ in Sr-doped La$_3$Ni$_2$O$_7$, aligning them with those of "La$_3$Ni$_2$O$_{7.05}$", thereby leading to significant modifications in properties under high pressure relative to the unsubstituted parent phase. At ambient pressure, Sr-doped La$_3$Ni$_2$O$_7$ exhibits insulating properties, and the conductivity increases as pressure goes up to 10 GPa. However, upon further increasing pressure beyond 10.7 GPa, Sr-doped La$_3$Ni$_2$O$_7$ transits back from a metal-like behavior to an insulator. The insulator-metal-insulator trend under high pressure dramatically differs from the behavior of the parent compound La$_3$Ni$_2$O$_{7-δ}$, despite their similar behavior in the low-pressure regime. These experimental results underscore the considerable challenge in achieving superconductivity in nickelates.

研究の動機と目的

• 高圧（20 GPa）および高温（1400 °C）条件下で高品質かつ化学计量比制御されたSrドープLa₃Ni₂O₇単結晶を合成すること。
• 母体化合物と比較して、SrドープLa₃Ni₂O₇における圧力依存の電子的相転移を調査すること。
• SrドーピングがNi酸化状態およびバンド充填度に与える影響を明らかにし、圧力下での電子的挙動に及ぼす影響を理解すること。
• 高圧下で金属的状態が安定化されるにもかかわらず、ニッケレートにおいて超伝導が依然として実現されない理由を解明すること。

提案手法

• 20 GPaおよび1400 °Cでの高圧・高溫固体反応法を用いて、SrドープLa₃Ni₂O₇の単結晶を合成する。
• 単結晶X線回折を用いて正方晶構造を同定し、正確なNi-O-Ni結合角（面外：173.4(2)°、面内：175.0(2)°および176.7(2)°）を測定する。
• 静水圧下での電気的輸送測定を実施し、抵抗率の変化を追跡し、金属-絶縁体転移を特定する。
• 母体化合物La₃Ni₂O₇₋δと比較することで、ドーピングおよび化学计量比の役割を分離する。
• Sr置換に起因するNi²⁺/Ni³⁺比およびバンド充填度の変化を分析し、電子的応答と相関付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Srドーピングは、高圧下におけるLa₃Ni₂O₇の電子構造およびバンド充填度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 母体化合物とは異なり、SrドープLa₃Ni₂O₇が10.7 GPaを超えて再び絶縁体的状態を示す理由は何か？
• RQ3 高圧合成は、La₃Ni₂O₇系酸化物における化学计量比制御をどの程度向上可能か？
• RQ4 Ni-O-Ni結合角が電子相関および相転移をどのように調節しているか？
• RQ5 観察された絶縁体-金属-絶縁体の順序は、ニッケレートにおける超伝導の欠如を説明できるか？

主な発見

• SrドープLa₃Ni₂O₇は、面外方向に173.4(2)°、面内に175.0(2)°および176.7(2)°のNi-O-Ni結合角を有する正方晶構造をとる。
• 常圧下では、制御されたSrドーピングと変化したNi²⁺/Ni³⁺比により絶縁体的挙動を示す。
• 抵抗率は圧力が10 GPaに達するまで低下を示し、金属的状態を示している。
• 10.7 GPaを超えると抵抗率が急激に上昇し、再び絶縁体的挙動が現れる。
• 圧力下における絶縁体-金属-絶縁体の遷移は、母体化合物の単調な金属的傾向とは対照的であり、ドーピングの根本的役割を示している。
• これらの結果から、ニッケレートにおける超伝導の実現には、単なる圧力調整をはるかに超えた化学计量比および電子構造の精密制御が必要であると示唆される。