[論文レビュー] Quantifying interaction mechanism in infinite layer nickelate superconductors

E. F. Talantsev|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 75被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、高級ブロッホ＝グリューネイゼンモデルを用いて、無限層ネッカー酸化物超伝導体（R1-xSrxNiO2）における温度依存抵抗率を分析し、電子散乱メカニズムを定量化する。NdおよびPrを基とする化合物ではp=2.0を示し、これは電子-電子散乱を示唆する。一方、La基の化合物ではp=1.3を示すが、これは既存理論では説明できない。これにより、従来のモデルに疑問を呈し、これらの物質における短距離反強磁性相互作用を記述する新しい理論的枠組みの構築が求められる。

ABSTRACT

The relationship between the long-range antiferromagnetic order in cuprates and the high-temperature superconductivity in these compounds represents unresolved, nearly four-decades long scientific problem. Because recently discovered nickelate superconductors are crystallographical counterparts of cuprates, many properties and difficulties into describing these compounds are common to both families. Recently, Fowlie et al (2022 Nature Physics 18 1043) aimed to detect the antiferromagnetic order in $R_{1-x}Sr_{x}NiO_{2}$ (R = Nd, Pr, La, x ~ 0.2) films by using the muon spin rotation (muSR) technique. This research group reported on the existence of short-range antiferromagnetic order in all studied nickelates. Here, we aimed to reveal the existence of this interaction in the same nickelate films by analyzing the temperature dependent resistivity, $ρ(T)$, reported by the same research group. Global $ρ(T)$ data fits to the advanced Bloch-Grüneisen model showed that each of R1-xSrxNiO2 compounds can be characterized by a unique power-law exponent, p (where p=2 for the electron-electron scattering, p=3 for the electron-magnon scattering, and p=5 for the electron-phonon scattering), and global characteristic temperature, $T_ω$ (which has the meaning of the Debye temperature at p=5). We found that p=2.0 in Nd- and Pr-based compounds, and p=1.3 for La-based compound. The latter value does not have any interpretation within established theoretical models. We also analyzed $ρ(T)$ data for $Nd_{1-x}Sr_{x}NiO_{2}$ (0.125 < x < 0.325) reported by Lee et al (2022 arXiv2203.02580). Because our analysis showed that p-values in nickelates are remarkably different from p=3, we call for the developent of a new theoretical model to describe $ρ(T)$ in materials exhibiting a short-range antiferromagnetic order.

研究の動機と目的

• 抵抗率データを用いて、無限層ニッケレート超伝導体（R1-xSrxNiO2）における電子散乱メカニズムを調査すること。
• 既存の散乱モデル（電子-電子、電子-磁気モード、電子-格子振動）が観測された温度依存抵抗率を説明できるかどうかを検証すること。
• 期待されるp値（例：電子-磁気モード散乱ではp=3）からの逸脱を特定し、その理論的意義を評価すること。
• La基ニッケレートにおいて非物理的とされるp値（p=1.3）を同定することで、既存理論モデルに疑問を呈すること。
• 短距離反強磁性秩序を示す材料における電子相互作用を記述する新しい理論的枠組みの開発を提唱すること。

提案手法

• Nd-, Pr-, およびLa基のR1-xSrxNiO2薄膜の温度依存抵抗率（ρ(T)）データを、高級ブロッホ＝グリューネイゼンモデルにグローバルフィッティングすること。
• p値（指数）を用いて主な電子散乱メカニズムを分類する：p=2（電子-電子散乱）、p=3（電子-磁気モード散乱）、p=5（電子-格子振動散乱）。
• フィッティングから抽出された特徴的温度Tωを、p=5の場合にデバイ温度と解釈すること。
• Leeら（2022）が報告したNd1-xSrxNiO2（0.125 < x < 0.325）のρ(T)データを用い、複数のデータセット間の整合性を検証すること。
• 異なる希土類ドーピング元素におけるp値を比較し、散乱行動が普遍的か、材料特異的かを評価すること。
• muSR研究においてFowlieら（2022）が報告した同一の抵抗率データを用い、物理的解釈の一貫性を確認すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Nd1-xSrxNiO2およびPr1-xSrxNiO2薄膜におけるρ(T)解析に基づき、支配的電子散乱メカニズムは何か？
• RQ2 La1-xSrxNiO2化合物がp=1.3を示す理由は何か？これは既存理論で解釈できない。
• RQ3 ニッケレートにおける観測されたp値は、短距離反強磁性秩序を示す系における電子-磁気モード散乱（p=3）の予測と一致するか？
• RQ4 p≠5の場合に、特徴的温度Tωはこれらの物質におけるデバイ温度の妥当な代理指標と見なせるか？
• RQ5 ニッケレートにおける抵抗率挙動は、現在の理論モデルで一貫して記述可能か？それとも、新しい枠組みが必要か？

主な発見

• Nd1-xSrxNiO2およびPr1-xSrxNiO2化合物では、p=2.0を示し、これが支配的電子-電子散乱を示唆する。
• La1-xSrxNiO2ではp値が1.3を示すが、これは既存の散乱モデルと整合せず、理論的解釈が欠落している。
• ニッケレートにおけるp値は、反強磁性系における電子-磁気モード散乱の予測値p=3と著しく異なる。
• フィッティングから抽出された特徴的温度Tωは、La基化合物においてデバイ温度の期待値と一致せず、格子振動支配の散乱とは逸脱していることを示唆する。
• 複数のニッケレート系における観測された抵抗率挙動は、既存理論モデルでは説明不能であり、理論的枠組みの再構築が不可避であることを示している。
• 本研究は、短距離反強磁性秩序を示す材料における電子相互作用を記述する新しい理論的枠組みの構築を要請しており、特にLa基ニッケレートにおける解釈不能なp=1.3という事実がその動機付けとなっている。