[논문 리뷰] Dimensionality control and rotational symmetry breaking superconductivity in square-planar layered nickelates

L. E. Chow, Km Rubi외 12명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 18.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 희 rare-earth 스퍼레이터 계층에서 이온 크기 공학을 통해 초도체성 사각 평면계 니켈산화물의 조절 가능한 차원성과 회전 대칭성 붕괴를 입증한다. 고자기 퉁성장과 각도 의존성 자기저항 측정을 통해 저자들은 격자 구조의 C₄ 대칭성을 깨는 C₂ 대칭 초도체 상태를 규명하였으며, 2차원에서 3차원 초도체 거동으로의 제어 가능한 전이를 관찰하였다. 이는 비보통 쌍성 메커니즘에 대한 새로운 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

The interplay between dimensionality and various phases of matter is a central inquiry in condensed matter physics. New phases are often discovered through spontaneously broken symmetry. Understanding the dimensionality of superconductivity in the high-temperature cuprate analogue $-$ layered nickelates and revealing a new symmetry-breaking state are the keys to deciphering the underlying pairing mechanism. Here, we demonstrate the highly-tunable dimensionality and a broken rotational symmetry state in the superconductivity of square-planar layered nickelates. The superconducting state, probed by superconducting critical current and magnetoresistance within superconducting transition under direction-dependent in-plane magnetic fields, exhibits a $C_2$ rotational symmetry which breaks the $C_4$ rotational symmetry of the square-planar lattice. Furthermore, by performing detailed examination of the angular dependent upper critical fields at temperatures down to 0.5 K with high-magnetic pulsed-fields, we observe a crossover from two-dimensional to three-dimensional superconducting states which can be manipulated by the ionic size fluctuations in the rare-earth spacer layer. Such a large degree of controllability is desired for tailoring strongly two/three-dimensional superconductors and navigating various pairing landscapes for a better understanding of the correlation between reduced dimensionality and unconventional pairing. These results illuminate new directions to unravel the high-temperature superconducting pairing mechanism.

연구 동기 및 목표

• 층상 니켈산화물에서 차원성과 초도체성의 상호작용을 조사하기 위해.
• 사각 평면 니켈산화물의 초도체 상에서 대칭성 붕괴 상태를 탐구하기 위해.
• 희 rare-earth 스퍼레이터 계층의 이온 크기 변동이 차원성을 어떻게 제어하는지 이해하기 위해.
• 감소된 차원성과 비보통 초도체 쌍성의 관계를 탐색하기 위해.
• 초도체 주문 매개변수에서의 회전 대칭성 붕괴에 대한 실험적 증거를 제공하기 위해.

제안 방법

• 최대 18 T의 고자기 퉁성장을 사용하여 각도 의존성 상한 임계장도를 측정하였다.
• 방향이 다양하게 변하는 면내 자기장 하에서 초도체 임계 전류 및 자기저항 측정을 수행하였다.
• 구조적 왜곡과 차원성을 조절하기 위해 스퍼레이터 계층의 희 rare-earth 양이온 크기를 체계적으로 변화시켰다.
• 상한 임계장의 각도 의존성을 분석하여 초도체 상태에서의 대칭성 붕괴를 탐지하였다.
• C₄ 대칭성을 가진 사각 평면 격자를 기준으로 하여 초도체 반응에서 C₂ 대칭성 붕괴를 식별하였다.
• 저온에서의 초도체 이방성과 전이 행동을 해소하기 위해 0.5 K까지 측정을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 희 rare-earth 스퍼레이터 계층의 이온 크기는 니켈산화물의 초도체성 차원성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 사각 평면 층상 니켈산화물의 초도체 상태에서 회전 대칭성이 붕괴되는가? 만약 붕괴된다면 어떤 대칭성이 유지되는가?
• RQ3 2차원과 3차원 초도체 거동 사이의 전이가 실험적으로 제어되고 관찰될 수 있는가?
• RQ4 이 물질들에서 초도체 주문 매개변수의 성격은 무엇이며, 일반적인 등방성 쌍성과 어떻게 다를까?
• RQ5 격자 대칭성과 초도체 대칭성의 상호작용은 니켈산화물의 쌍성 메커니즘에 어떻게 정보를 제공하는가?

주요 결과

• 각도 의존성 자기저항 및 임계 전류 측정을 통해 초도체 상태가 사각 평면 격자의 C₄ 대칭성을 깨는 C₂ 회전 대칭성을 나타냄을 규명하였다.
• 희 rare-earth 스퍼레이터 계층의 이온 크기 변동을 통해 2차원에서 3차원 초도체 거동으로의 명확한 전이가 관찰되었으며, 이는 조절 가능하다.
• 상한 임계장이 강한 각도 의존성을 보이며, 45°와 135°에서 최소값을 보이며 초도체 주문 매개변수에서의 C₂ 대칭성 붕괴를 확인하였다.
• 면내 자기장 하에서의 초도체 임계 전류 및 자기저항 데이터는 d-파일 또는 네마틱 초도체 상태와 일치하는 뚜렷한 이방성을 보였다.
• 0.5 K에서의 측정 결과는 차원성 조절 가능한 초도체성이 유지됨을 확인하였으며, 대칭성 붕괴 상태의 강건성을 시사하였다.
• 차원성 제어 정도가 크며 실험적으로 접근 가능하여 2차원 및 3차원 초도체 상의 체계적 탐색이 가능하다.