[논문 리뷰] Character of the "normal state" of the nickelate superconductors

Kyuho Lee, Bai Yang Wang외 11명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 04.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 새로운 (LaAlO3)0.3(Sr2TaAlO6)0.7 기반재에 결함이 없는 얇은 필름을 성장시켜 무한층 니켈산화물 초전도체(Nd1−xSrxNiO2)의 고유한 정상 상태 운반성질을 연구한다. 전자 구조상의 차이—예를 들어 Mott-Hubbard 절연체 기반 물질의 부재와 다중밴드 특성—에도 불구하고 니켈산화물의 정상 상태는 copernicium 산화물과 놀랄 만큼 유사한 저항도 경향을 보이며, 고온 초전도성의 전자 기원에 깊이 뿌리내린 보편성이 있음을 시사한다.

ABSTRACT

The occurrence of superconductivity in proximity to various strongly correlated phases of matter has drawn extensive focus on their normal state properties, to develop an understanding of the state from which superconductivity emerges. The recent finding of superconductivity in layered nickelates raises similar interests. However, transport measurements of doped infinite-layer nickelate thin films have been hampered by materials limitations of these metastable compounds - in particular, a relatively high density of extended defects. Here, by moving to a substrate (LaAlO$_{3}$)$_{0.3}$(Sr$_{2}$TaAlO$_{6}$)$_{0.7}$ which better stabilizes the growth and reduction conditions, we can synthesize the doping series of Nd$_{1-x}$Sr$_{x}$NiO$_{2}$ essentially free from extended defects. This enables the first examination of the 'intrinsic' temperature and doping dependent evolution of the transport properties. The normal state resistivity exhibits a low-temperature upturn in the underdoped regime, linear behavior near optimal doping, and quadratic temperature dependence for overdoping. This is strikingly similar to the copper oxides, despite key distinctions - namely the absence of an insulating parent compound, multiband electronic structure, and a Mott-Hubbard orbital alignment rather than the charge-transfer insulator of the copper oxides. These results suggest an underlying universality in the emergent electronic properties of both superconducting families.

연구 동기 및 목표

• 이전의 얇은 필름에서 높은 결함 농도로 인한 재료적 제약으로 인해 니켈산화물 초전도체의 정상 상태를 연구하는 데 어려움이 있었음을 해결하기 위해.
• 새로운 산화물 기반재인 (LaAlO3)0.3(Sr2TaAlO6)0.7을 사용하여 고질적이고 결함이 없는 Nd1−xSrxNiO2 얇은 필름을 안정화하고 성장시키기 위해.
• 이번에 처음으로 니켈산화물 정상 상태의 고유한 도핑 및 온도 의존성 운반성질을 탐구하기 위해.
• 니켈산화물의 정상 상태 거동을 구리 산화물과 비교하여 고온 초전도성 메커니즘의 잠재적 보편성 평가하기 위해.

제안 방법

• 구조적 및 전자적 안정성을 향상시키기 위해 (LaAlO3)0.3(Sr2TaAlO6)0.7 기반재에 Nd1−xSrxNiO2 얇은 필름을 합성하기 위해.
• 확장 결함이 최소한인 에피택셜, 준안정 상태의 무한층 니켈산화물 필름을 얻기 위해 펄스 레이저 증착(PLD)을 사용하기 위해.
• 부족도, 최적 도핑, 과도핑 영역을 모두 아우르는 온도 및 정공 도핑(x)에 따른 전기 저항도 측정하기 위해.
• 도핑 수준에 따라 저항도의 온도 의존성을 분석하여 별개의 기능 형태(상승, 선형, 제곱)를 식별하기 위해.
• 관측된 운반 경향을 구리 산화물 초전도체의 경향과 비교하여 정상 상태 물리학의 유사성 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Nd1−xSrxNiO2의 정상 상태에서 고유한 운반성질이 온도와 정공 도핑에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 전자 구조상의 근본적 차이가 있음에도 불구하고 니켈산화물의 정상 상태 저항도 행동이 구리 산화물과 얼마나 유사한가?
• RQ3 니켈산화물에서 Mott-Hubbard 절연체 기반 물질의 부재가 구리 산화물 유사 정상 상태 행동의 발생과 어떻게 조화될 수 있는가?
• RQ4 관측된 저항도 변화는 니켈산화물 내부의 기본 전자 상호작용 및 쌍화 메커니즘에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ5 다양한 고온 초전도체 가족 간에 보편적인 정상 상태 행동이 존재하는가에 대한 증거가 있는가?

주요 결과

• 부족도 영역에서 Nd1−xSrxNiO2의 정상 상태 저항도는 저온에서 상승하는 경향을 보이며, 국소화 또는 근거리 상관관계의 존재를 시사한다.
• 최적 도핑 근처(x ≈ 0.15)에서 저항도는 선형 온도 의존성을 보이며, 이는 구리 산화물에서도 관찰되는 경계 Fermi 액체 행동의 상징이다.
• 과도핑 영역에서는 저항도가 제곱 온도 의존성을 따르며, 이는 Fermi 액체 유사 산란 과정과 일치한다.
• 핵심적인 차이점—Mott-Hubbard 절연체 기반 물질의 부재, 다중밴드 특성, Mott-Hubbard 오비탈 정렬—에도 불구하고 니켈산화물에서 관측된 저항도 경향은 구리 산화물 초전도체와 놀랄 만큼 유사하다.
• 양쪽 가족 간의 정상 상태 운반 행동 유사성은 고온 초전도성의 전자 메커니즘에 깊이 뿌리내린 보편성을 시사한다.
• 결과적으로, 이 고질적 필름 체계에서 외부 결함에 의해 지배되지 않는, 니켈산화물의 정상 상태가 강한 전자 상호작용에 의해 고유하게 규정됨을 입증한다.