[論文レビュー] Structure responsible for the superconducting state in La3Ni2O7 at high pressure and low temperature conditions

Luhong Wang, Yan Li+16 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2023

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、高圧・低温条件（約19 GPaと約40 K）でLa3Ni2O7の四方晶系I4/mmm相が超伝導と関連している可能性が高いことを示唆しており、電子状態はフェルミエネルギー近傍でNi eg軌道に支配され、Ni–O–Ni結合幾何に焦点を当てている。

ABSTRACT

Very recently, a new superconductor with Tc = 80 K was reported in nickelate (La3Ni2O7) at around 15 - 40 GPa conditions (Nature, 621, 493, 2023) [1], which is the second type of unconventional superconductor, beside the cuprates, with Tc above liquid nitrogen temperature. However, the phase diagram plotted in this report was mostly based on the transport measurement at low temperature and high pressure conditions, and the assumed corresponding X-ray diffraction (XRD) results was carried out at room temperature. This encouraged us to carry out in situ high pressure and low temperature synchrotron XRD experiments to determine which phase is responsible for the high Tc state. In addition to the phase transition from orthorhombic Amam structure to orthorhombic Fmmm structure, a tetragonal phase with space group of I4/mmm was discovered when the sample was compressed to 19 GPa at 40 K where the superconductivity takes palce in La3Ni2O7. The calculations based on this tetragonal structure reveal that the electronic states approached to the Fermi energy were mainly dominated by the eg orbitals (3dz2 and 3dx2-y2) of Ni atoms, which are located in the oxygen octahedral crystal field. The correlation between Tc and this structural evolution, especially Ni-O octahedra regularity and the in-plane Ni-O-Ni bonding angles, are analyzed. This work sheds new lights to identify what is the most likely phase responsible for superconductivity in the double layered nickelate.

研究の動機と目的

• 高圧・低温条件下でLa3Ni2O7における超伝導と関連する結晶構造を決定する。
• 室温XRDの前提を超える超伝導状態に関連する相転移を同定する。
• 構造進化をフェルミエネルギー近傍の電子状態およびTcに結び付ける。
• Ni–O八面体の整合性と平面内の Ni–O–Ni結合角が Tc とどのように相関するかを評価する。

提案手法

• 超伝導条件下で構造相をマッピングするための、In situ高圧・低温シンクロトロンX線回折（XRD）。
• AmamからFmmmへの相転移を特徴づけ、約19 GPaと約40 Kに四方晶のI4/mmm相を同定する。
• この四方晶相内でE_F近傍のNi eg (3dz2, 3dx2−y2) 状態の支配を示す電子構造の考察を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高圧・低温条件下でLa3Ni2O7において超伝導と相関する結晶構造は何か？
• RQ2 圧力誘起の構造変化（Amam→Fmmm→I4/mmm）が超伝導の出現とどのように関連するか？
• RQ3 Tcの決定におけるNi–O八面体の幾何学と Ni–O–Ni結合角の役割は何か？
• RQ4 超伝導状態に関与するフェルミエネルギー近傍の電子状態はどれか？

主な発見

• 約19 GPaと約40 Kで超伝導が起こる場所として、四方晶のI4/mmm相が現れる。
• この相におけるフェルミエネルギー近傍の電子状態は、酸素八面体場内でNi eg軌道（3dz2および3dx2−y2）に支配されている。
• 本研究は、TcをNi–O八面体の整合性と平面内のNi–O–Ni結合角に特に結び付けた構造進化と関連づけている。
• 現場測定を通じて、超伝導相を他の高圧誘起正交相（AmamからFmmmへ）と区別している。
• 本成果は、二重層ニコライドにおいて超伝導に最も関与する相がどれかについて示唆を提供する。