[論文レビュー] Strain-induced enhancement of $T_c$ in infinite-layer Pr$_{0.8}$Sr$_{0.2}$NiO$_2$ films

X.M. Ren, Jiarui Li+14 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2021

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 37被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、無限層構造のPr0.8Sr0.2NiO2薄膜における応力誘起の超伝導転移温度（Tc）の向上を示した。SrTiO3上ではTcが9 Kであったのに対し、圧縮応力がかかるLSAT基板上では15 Kに上昇した。この向上は、面内方向の圧縮応力下でNi 3d–O 2pの混合が強化され、電荷移動性が高まり、酸素K-edge XASにおける前駆峰強度が増加することに起因する。これは酸素軌道へのホールドーピングが増加し、ペアリング機構が強化されていることを示している。

ABSTRACT

The mechanism of unconventional superconductivity in correlated materials remains a great challenge in condensed matter physics. The recent discovery of superconductivity in infinite-layer nickelates, as analog to high-Tc cuprates, has opened a new route to tackle this challenge. By growing 8 nm Pr0.8Sr0.2NiO2 films on the (LaAlO3)0.3(Sr2AlTaO6)0.7 substrate, we successfully raise the transition temperature Tc from 9 K in the widely studied SrTiO3-substrated nickelates into 15 K. By combining x-ray absorption spectroscopy with the first-principles and many-body simulations, we find a positive correlation between Tc and the pre-edge peak intensity, which can be attributed to the hybridization between Ni and O orbitals induced by the strain. Our result suggests that structural engineering can further enhance unconventional superconductivity, and the charge-transfer property plays a crucial role in the pairing strength.

研究の動機と目的

• 無限層ニッケレートにおける超伝導性の調整に及ぼす応力の役割を調査すること。
• 構造的エンジニアリングが、ニッケレートのような相関する酸化物におけるTcを向上させられるかどうかを特定すること。
• 電荷移動性、軌道混合、および超伝導ペアリング強度の間の関係を解明すること。
• ニッケレート薄膜における前駆峰XAS強度とTcの間の定量的関係を確立すること。

提案手法

• パulsed laser depositionとCaH2を用いた還元法を用いた、SrTiO3およびLSAT基板上への8 nm厚のエpitaxialなPr0.8Sr0.2NiO2薄膜の成長。
• エpitaxial成長および一様な無限層構造の確認のため、高角アンビエントダークフィールド（HAADF）およびアンビエントブライトフィールド（ABF）STEMの使用。
• 四端子配置を用いた輸送特性の測定により、抵抗率対温度曲線からTcを抽出。
• 酸素K-edge XASを用いて、電荷移動性の指標およびNi 3d–O 2p混合の強度を示す前駆峰強度を測定。
• 第一原理密度汎関数理論（DFT）およびWannierタイトバインディングモデルを用いたバンド構造および軌道混合パラメータの計算。
• 可変な遷移積分（tpd）を有するXASスペクトルの正確な対角化シミュレーションを実施し、応力効果をモデル化し、前駆峰強度およびホール分布と照合。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる基板からのエpitaxial応力が、Pr0.8Sr0.2NiO2薄膜の超伝導転移温度Tcにどのように影響を与えるか？
• RQ2 Ni 3d–O 2p軌道混合がニッケレートにおける超伝導性の向上に果たす役割は何か？
• RQ3 酸素K-edge XASにおける前駆峰強度は、Tcおよび電荷移動性とどの程度相関しているか？
• RQ4 応力工学を用いて、相関する酸化物における電荷移動ギャップを調整し、ペアリング強度を向上させられるか？

主な発見

• Pr0.8Sr0.2NiO2薄膜のTcは、SrTiO3基板上では9 Kであったのに対し、LSAT基板上では圧縮応力のため15 Kに上昇した。
• LSAT基板上成長薄膜では、酸素K-edge XASにおける前駆峰強度が顕著に増加しており、Ni 3d–O 2p混合の強化を示している。
• 第一原理および正確な対角化シミュレーションにより、応力下でtpd（Ni–O遷移積分）が増加し、O px,py軌道へのホール占有が増加し、より強い前駆峰特徴が得られることを確認した。
• 前駆峰強度とTcの間には正の相関が確認され、電荷移動性が超伝導性の向上に寄与していることを裏付けた。
• Tcの応力誘起上昇は、混合の増加に起因し、ドーピングされたホールが酸素軌道に再分配されることにより、高Tcカップレートに見られる電荷移動機構を模倣している。
• 本研究の結果は、応力を用いた構造的エンジニアリングが、遷移金属酸化物における非摂動的超伝導性を強化する有効な手段であることを示している。