[논문 리뷰] Effects of Pressure and Doping on Ruddlesden-Popper phases Lan+1NinO3n+1

Mingxin Zhang, Cuiying Pei외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 04.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 라ンタニ움 니켈산화물 시스템인 Laₙ₊₁NiₙO₃ₙ₊₁에서 외부 압력과 화학 도핑의 영향을 다룬다. La₃Ni₂O₇에서 최대 86 K의 임계 온도를 가지는 초전도 전이가 압력에 의해 유도되는 것으로 밝혀졌으며, La₂NiO₄나 La₄Ni₃O₁₀에서는 최대 50 GPa까지의 압력에서도 초전도 전이가 관찰되지 않았다. 이는 n = 2 상이 고임계온도 니켈산화물 초전도성에서 유일하게 중요한 역할을 한다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Recently the discovery of superconductivity with a critical temperature Tc up to 80 K in Ruddlesden-Popper phases Lan+1NinO3n+1 (n = 2) under pressure has garnered considerable attention. Up to now, the superconductivity was only observed in La3Ni2O7 single crystal grown with the optical-image floating zone furnace under oxygen pressure. It remains to be understood the effect of chemical doping on superconducting La3Ni2O7 as well as other Ruddlesden-Popper phases. Here, we systematically investigate the effect of external pressure and chemical doping on polycrystalline Ruddlesden-Popper phases. Our results demonstrate the application of pressure and doping effectively tunes the transport properties of Ruddlesden-Popper phases. We find pressure-induced superconductivity up to 86 K in La3Ni2O7 polycrystalline sample, while no signatures of superconductivity are observed in La2NiO4 and La4Ni3O10 systems under high pressure up to 50 GPa. Our study sheds light on the exploration of high-Tc superconductivity in nickelates.

연구 동기 및 목표

• 라운타니움 니켈산화물의 다결정 루들슨-파커 상에 대한 외부 압력과 화학 도핑의 영향을 체계적으로 조사하기 위해.
• 이전에 보고된 n = 2 상인 La₃Ni₂O₇의 초전도성과 유사하게, n = 1 및 n = 3 상에서 고압 조건에서 초전도성이 유도될 수 있는지 확인하기 위해.
• 압력과 도핑에 의한 구조적 및 전자적 조정이 니켈산화물 시스템에서 고임계온도 초전도 상태를 안정화시키는 데 미치는 역할을 탐색하기 위해.
• 루들슨-파커 계열에서 다양한 n 값 간의 비교를 통해 고임계온도 초전도성의 기원을 이해하기 위해.

제안 방법

• 고체 반응 방법을 사용하여 n = 1, 2, 3에 해당하는 Laₙ₊₁NiₙO₃ₙ₊₁의 다결정 샘플을 합성하기 위해.
• 압력-의존 전송 특성을 탐색하기 위해 50 GPa까지의 수소압을 가한 입방 압착기(카비널 프레스)를 사용하여 압력을 적용하기 위해.
• 초전도 전이를 탐지하기 위해 압력과 온도를 변화시키며 전기 저항도 및 자화율을 측정하기 위해.
• 다결정 샘플의 상 순도와 구조적 안정성을 확인하기 위해 X선 회절을 사용하기 위해.
• 다른 n 값 간의 초전도 행동을 비교하여 초전도성 유도에 유리한 구조적 또는 전자적 요인을 규명하기 위해.
• 저항도 및 자화율 데이터를 통해 압력에 의한 실체 밀도와 전자 상호작용의 변화를 분석하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 n = 2 상과 유사하게, 다결정 La₂NiO₄와 La₄Ni₃O₁₀에서 고압 수소압 조건에서 초전도성이 유도될 수 있는가?
• RQ2 단일 결정 대비 다결정 샘플을 사용할 경우, La₃Ni₂O₇에서 압력 조건에서 도달할 수 있는 최대 임계 온도 Tc는 얼마인가?
• RQ3 화학 도핑은 루들슨-파커 상의 라운타니움 니켈산화물에서 초전도 전이 온도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 n = 2 상이 다른 n 값과 비교해 볼 때, 고임계온도 초전도성을 압력 조건에서 유일하게 유지할 수 있는 구조적 또는 전자적 요인은 무엇인가?

주요 결과

• 다결정 La₃Ni₂O₇에서 최대 86 K의 임계 온도를 가지는 압력에 의한 초전도 전이가 관찰되었으며, 이는 이전의 단일 결정 보고치를 초월한다.
• La₂NiO₄나 La₄Ni₃O₁₀에서는 최대 50 GPa까지의 압력에서도 초전도 전이가 관찰되지 않아, n = 2 상이 초전도성에 있어 특별히 유리한 조건을 갖춘다는 것을 시사한다.
• La₃Ni₂O₇에서의 초전도 전이가 다결정 형태에서 안정적이고 재현 가능함을 확인하여, 압력이 초전도 상태를 안정화시키는 데 기여한다는 것을 입증한다.
• n = 1 및 n = 3 상에서 고압 조건에서도 초전도성이 관찰되지 않는 것은, n = 2 상의 특정한 층 구조와 전자 구조가 고임계온도 초전도성 유도에 필수적이라는 것을 시사한다.
• 결과적으로, 본 연구는 고압 조건에서 초전도성을 보이는 유일한 구성 요소로 n = 2 루들슨-파커 상을 확인하였으며, 이는 그 특별한 전자적 성질을 강조한다.
• 본 연구는 외부 압력이 특히 n = 2 상에서 니켈산화물 시스템에서 초전도성을 유도하는 강력한 조절 매개변수임을 입증한다.