[論文レビュー] Unconventional crystal structure of the high-pressure superconductor La$_3$Ni$_2$O$_7$

Pascal Puphal, Pascal Reiss+15 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2023

High-pressure geophysics and materials被引用数 12

ひとこと要約

論文は、高圧下のLa3Ni2O7単結晶が以前想定された二層RP構造ではなく、モノ层–三层(ML–TL)交互積層を示すことを明らかにし、この構造と圧力下で観測された超伝導を結びつける。

ABSTRACT

The discovery of high-temperature superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$ at pressures above 14 GPa has spurred extensive research efforts. Yet, fundamental aspects of the superconducting phase, including the possibility of a filamentary character, are currently subjects of controversial debates. Conversely, a crystal structure with NiO$_6$ octahedral bilayers stacked along the $c$-axis direction was consistently posited in initial studies on La$_3$Ni$_2$O$_7$. Here we reassess this structure in optical floating zone-grown La$_3$Ni$_2$O$_7$ single crystals that show signs of filamentary superconductivity. Employing scanning transmission electron microscopy and single-crystal x-ray diffraction under high pressures, we observe multiple crystallographic phases in these crystals, with the majority phase exhibiting alternating monolayers and trilayers of NiO$_6$ octahedra, signifying a profound deviation from the previously suggested bilayer structure. Using density functional theory, we disentangle the individual contributions of the monolayer and trilayer structural units to the electronic band structure of La$_3$Ni$_2$O$_7$, providing a firm basis for advanced theoretical modeling and future evaluations of the potential of the monolayer-trilayer structure for hosting superconductivity.

研究の動機と目的

• La3Ni2O7の高圧下での実際の結晶構造を特定し、以前提案された二層モデルからの乖離を評価する。
• 高圧下の構造相と超伝導および輸送特性との関連を解明する。
• 構造発見を一貫した電子構造像へと転換し、理論モデル化を指針とする。

提案手法

• 酸素圧力を高くした条件で光学浮遊ゾーン法を用いてLa3Ni2O7単結晶を合成する。
• 走査透過電子顕微鏡(STEM)を用いて局所の積層配列（MLおよびTL単位）を解像する。
• 高分解能の単結晶X線回折(XRD)を圧力下で実施し、単位格子と対称性を精練する。
• ML–TL積層のためのDFT計算を行い、带構造とフェルミ面を分析する。
• 高圧下の構造精練をRP相の積層と比較し、Ni–O–Ni結合を含む結合角・結合長を評価する。
• 圧力下の輸送を検討し、Tcと構造パラメータおよびヒステリシス挙動を関連付ける。

Figure 1: (a) Pressure and temperature dependence of the electrical resistance of an annealed La 3 Ni 2 O 7 single crystal. Solid lines were measured upon pressure increase, while the dashed line shows the resistance after decompression to 2.6 GPa, indicating hysteretic behavior. The inset shows the

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高圧下でLa3Ni2O7のNiO6オクタヘド活性の実際の積層配列は何か？
• RQ2 ML–TL積層は、構造的にも電子的にも従来のRP二層構造とどのように異なるか？
• RQ3 構造転移は圧力下での超伝導の出現と進展とどのように関連するか？
• RQ4 ML–TL相の電子構造とフェルミ面はどのようになっており、RP系ニッケネートとどう比較されるか？
• RQ5 観測された超伝導は、結晶内部のフィラメント様挙動や相純度/混合と整合することができるか？

主な発見

• 高圧下のLa3Ni2O7単結晶は、主にモノレイヤとトリレイヤのNiO6オクタヘド構成（ML–TL）の交互積層を示し、以前想定された二層積層ではない。
• STEM像は調査領域全体でML–TL秩序を示し、TL優位領域やBL様領域による断絶が散見される; 純粋なBL積層の継続は検出されない。
• XRDの精練は低〜中圧で直交系Fmmm構造を示し、約12.3 GPa以上で正方晶P4/mmm対称性へ転移する; Tcは圧力とともに増加し、構造変化と相関するヒステリシスを示す。
• DFTはML–TL相でフェルミ準近傍に複数のNi 3d由来バンドを示し、MLとTLからの寄与がそれぞれ異なり、ほぼ純粋なd_z^2由来のフェルミ面特徴（epsilonシート）を含む。
• フェルミ面はk_z=0平面で4つのシート（alpha、beta、gamma、epsilon）とその重複から成り、軌道と単位胞の分離によりML局在寄与とTL分散寄与が示される。
• 観測された超伝導はフィラメント状に現れ、Tc belowで非Ohmic輸送が現れ、場-電流依存性はML–TLバルク内に非均質な超伝導領域が存在することを示唆する。

Figure 2: (a) Sketch of the crystal structure of La 3 Ni 2 O 7 proposed in Ref. 18 , with a sequence of BL units along the $c$ axis direction. The solid black line indicates the $Amam$ unit cell and the vertical black arrow marks the $c$ axis lattice constant. (b) Atomic-resolution STEM-HAADF (left)