[論文レビュー] Superconductivity in pressurized trilayer La$_4$Ni$_3$O$_{10-δ}$ single crystals

Yinghao Zhu, Di Peng+28 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2023

Rare-earth and actinide compounds参考文献 48被引用数 8

ひとこと要約

この研究は trilayer La4Ni3O10-δ に高圧を印加すると bulk 超伝導が生じ、Tc ≈ 30 K が 69.0 GPa で観測され、奇妙な金属挙動と層依存結合を伴うことを示している。

ABSTRACT

The pursuit of discovering new high-temperature superconductors that diverge from the copper-based paradigm1-3 carries profound implications for elucidating mechanisms behind superconductivity and may also enable new applications4-8. Here, our investigation reveals that application of pressure effectively suppresses the spin and charge order in trilayer nickelate La4Ni3O10-δ single crystals, leading to the emergence of superconductivity with a maximum critical temperature (Tc) of around 30 K at 69.0 GPa. The DC susceptibility measurements confirm a substantial diamagnetic response below Tc, indicating the presence of bulk superconductivity with a volume fraction exceeding 80%. In the normal state, we observe a "strange metal" behavior, characterized by a linear temperature-dependent resistance extending up to 300 K. Furthermore, the layer-dependent superconductivity observed hints at a unique interlayer coupling mechanism specific to nickelates, setting them apart from cuprates in this regard. Our findings provide crucial insights into the fundamental mechanisms underpinning superconductivity, while also introducing a new material platform to explore the intricate interplay between the spin/charge order, flat band structures, interlayer coupling, strange metal behavior and high-temperature superconductivity.

研究の動機と目的

• 銅系パラダイムを超えるニコライート超伝導の探索を動機付ける。
• La4Ni3O10-δ においてスピン/電荷秩序を抑制し超伝導を露出させる手段としての圧力を示す。
• 高圧下での超伝導状態とその bulk 性を特徴付ける。

提案手法

• 三層 La4Ni3O10-δ 単結晶を合成する。
• 超伝導を誘起するために 69.0 GPa まで高圧を印加する。
• 直流磁化感応を測定して抗磁性反応と bulk 超伝導性（体積分率 >80%）を評価する。
• 正常状態の輸送特性を調べ、300 K までの線形温度依存抵抗を伴う strange metal挙動を同定する。
• 層依存的な超伝導性を解析して層間結合機構を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高圧は La4Ni3O10-δ でスピンおよび電荷秩序を抑制し、超伝導を露出させるか。
• RQ2 圧力下で達成可能な最大 Tc はいくつで、どの圧力で発生するか。
• RQ3 超伝導状態は bulk 的特性を示すか、層間結合はどのように現れるか。
• RQ4 超伝導相に伴う正常状態の輸送挙動は何か。
• RQ5 層依存性はニコライートの超伝導機構をどのように示唆するか。

主な発見

• 圧力下で超伝導が出現し、69.0 GPa で最大 Tc が約 30 K。
• 直流感受性は大きな diamagnetic 応答を示し、bulk 超伝導性を示す体積分率が >80% である。
• 正常状態の輸送は strange metal 挙動を示し、抵抗の温度依存が 300 K まで線形である。
• 層依存的超伝導性は、 cuprates に典型的でない層間結合機構を示唆するニコライート固有の性質である。