[論文レビュー] Superconductivity near 80 Kelvin in single crystals of La3Ni2O7 under pressure

Hualei Sun, Mengwu Huo+11 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2023

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 46被引用数 12

ひとこと要約

著者らは La3Ni2O7 の単結晶において Tc が最大約 80 K まで高圧下で観測され、14.0–43.5 GPa の範囲で orthorhombic Fmmm 相と Ni 3d 軌道–酸素 p 軌道相互作用に関連している。

ABSTRACT

High-transition-temperature (high-T_c) superconductivity in cuprates has been discovered for more than three decades, but the underlying mechanism remains a mystery. Cuprates are the only unconventional superconducting family that host bulk superconductivity with T_cs above the liquid nitrogen boiling temperature at 77 Kelvin. Here we report an observation of superconductivity in single crystals of La3Ni2O7 with a maximum T_c of 80 Kelvin at pressures between 14.0-43.5 gigapascals using high-pressure resistance and mutual inductive magnetic susceptibility measurements. The superconducting phase under high pressure exhibits an orthorhombic structure of Fmmm space group with the 3d_(x^2-y^2 ) and 3d_(z^2 ) orbitals of Ni cations strongly interacting with oxygen 2p orbitals. Our density functional theory calculations suggest the superconductivity emerges coincidently with the metallization of the σ-bonding bands under the Fermi level, consisting of the 3d_(z^2 ) orbitals with the apical oxygens connecting Ni-O bilayers. Thus, our discoveries not only reveal important clues for the high-T_c superconductivity in this Ruddlesden-Popper double-layered perovskite nickelates but also provide a new family of compounds to investigate the high-T_c superconductivity mechanism.

研究の動機と目的

• 銅酸化物に類似した高Tc超伝導性の探索を動機づける。
• 加圧下で La3Ni2O7 が体積的な超伝導性を宿せるかを調べる。
• このニッケル酸塩に伴う結晶構造・電子・軌道条件を決定する。
• 層状ニッケル酸塩の高Tc超伝導機構への影響を探る。

提案手法

• La3Ni2O7 単結晶の高圧抵抗と相互誘導磁化感受性を測定する。
• 14.0 と 43.5 GPa の間で Tc とその圧力依存性を特定する。
• 超伝導領域での結晶構造（orthorhombic Fmmm）を決定する。
• DFT 計算を行い、sigma-結合バンドの金属化と超伝導性の関連をリンクする。
• Ni 3d (x2−y2, z2) 軌道と O 2p 軌道の相互作用を Ni–O bilayers 全体で分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 La3Ni2O7 単結晶は外部圧力下で体積的な超伝導性を示すことができるか？
• RQ2 この材料に伴うどのような構造相および軌道配置が超伝導を伴うのか？
• RQ3 圧力とともに Ni 3d–O 2p 相互作用はどう変化して超伝導を可能にするのか？

主な発見

• 14.0–43.5 GPa の圧力下で最大 Tc 80 K の超伝導を観測。
• 超伝導相は orthorhombic Fmmm 構造を有する。
• Ni カチオンは 3d(x2−y2) および 3d(z2) 軌道と酸素 2p 軌道との強い相互作用を示す。
• DFT 計算は、 Fermi レベルでの sigma-結合バンドの金属化と Ni 3d(z2) 軌道および Ni–O bilayers の頂間酸素が関与する超伝導性へのリンクを示す。