[論文レビュー] Superconductivity in infinite-layer Pr$_{0.8}$Sr$_{0.2}$NiO$_2$ films on different substrates

Xiaolin Ren, Qiang Gao+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2021

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 48被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、LSATおよびSrTiO₃基板上に成長したPr₀.₈Sr₀.₂NiO₂薄膜において超伝導性を示すことを示した。LSAT上では最大15 Kの超伝導転移温度（Tc）を、SrTiO₃上では9 Kを示した。結果から、無限層ニッケレートにおける超伝導性は界面起因ではなく、SrTiO₃を必要としないことが示唆され、Tcを向上させるための歪み工学が有効な道筋であると考えられる。

ABSTRACT

The recent discovery of superconductivity in infinite-layer nickelates has motivated tremendous efforts to study these materials that are analogous to cuprates. However, superconductivity in infinite-layer nickelates has been realized only in thin films grown on SrTiO$_3$ substrates, thus raising the question whether it is interface-induced and the query into the role of SrTiO$_3$ substrate. Here, we report the observation of superconductivity in Pr$_{0.8}$Sr$_{0.2}$NiO$_2$ films prepared at almost the same conditions except they are grown on different substrates (LaAlO$_3$)$_{0.3}$(Sr$_2$AlTaO$_6$)$_{0.7}$ (LSAT) and SrTiO$_3$ with the corresponding onset of superconductivity maximized at 15 K and 9K, respectively. Our results not only suggest that the superconductivity in infinite-layer nickelates is unlikely an interface-induced phenomenon and that the SrTiO$_3$ substrate is not a necessary for the emergence of superconductivity, but also indicate that the compressive strain can possibly increase T$_c$ of Pr$_{0.8}$Sr$_{0.2}$NiO$_2$.

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がSrTiO₃基板に起因するものか、それともニッケレート層固有の性質かを調査すること。
• SrTiO₃とは異なる基板上でも、Pr₀.₈Sr₀.₂NiO₂薄膜に超伝導性が現れるかを特定すること。
• 基板に起因する歪みがニッケレート薄膜における超伝導転移温度（Tc）に与える影響を調査すること。
• 格子歪みがニッケレート系における超伝導特性のチューニングに果たす役割を評価すること。

提案手法

• 同じ条件で脈動レーザー蒸着法を用いて、LSATおよびSrTiO₃基板上にエピタキシャルなPr₀.₈Sr₀.₂NiO₂薄膜を成長させた。
• 膜の品質およびエピタキシャル配向を確認するため、X線回折を用いた構造的特徴付けを実施した。
• 抵抗率および磁気抵抗測定を用いて、電気的輸送測定を実施し、超伝導転移温度（Tc）を決定した。
• 特にLSAT上成長薄膜における圧縮歪みを比較することを含め、基板との格子不整合に基づいて薄膜の歪み状態を分析した。
• 抵抗率の低下および抵抗の磁場依存性から、超伝導転移温度（Tc）の上昇点を抽出した。
• LSATとSrTiO₃基板上でのTc値を比較・分析することで、基板効果および歪みの影響を推察した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 無限層ニッケレートにおける超伝導性は、ニッケレート層固有の性質か、それともSrTiO₃基板に起因するものか？
• RQ2 SrTiO₃とは異なる基板上でも、Pr₀.₈Sr₀.₂NiO₂薄膜に超伝導性が安定化できるか？
• RQ3 基板に起因する歪みが、Pr₀.₈Sr₀.₂NiO₂薄膜における超伝導転移温度（Tc）にどのように影響するか？
• RQ4 LSAT上での観察されたTc値が示唆するように、薄膜内の圧縮歪みがTcを向上させるか？
• RQ5 基板がニッケレート系における電子相関および超伝導ペアリングをどのように媒介しているか？

主な発見

• LSAT基板上に成長したPr₀.₈Sr₀.₂NiO₂薄膜において、超伝導転移温度（Tc）の上昇点が15 Kで観察された。
• 同じ成長条件下で、SrTiO₃基板上に成長した薄膜では、Tcの上昇点が9 Kに低下した。
• LSAT上での高いTcは、ニッケレート系における超伝導ペアリングが圧縮歪みによって強化される可能性を示唆している。
• SrTiO₃と同様の電子的界面を有さないLSAT上でも超伝導性が観察されたことから、現象が界面起因ではないことが示唆された。
• 結果から、SrTiO₃基板は無限層ニッケレートにおける超伝導性に必須ではないことが示唆された。
• Tcの歪み依存的傾向は、ニッケレート材料における超伝導特性を最適化するための歪み工学の可能性を支持している。