[논문 리뷰] Evidence for nodal superconductivity in infinite-layer nickelates

Shannon P. Harvey, Bai Yang Wang외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 31.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 최적 doping을 받은 무한층 구조 니켈산화물(La, Pr, Nd 기반)의 룬던 침투 깊이를 150 mK까지 측정하여, La 및 Pr 샘플에서 노드가 있는 초전도성과 더러운 d-파동 쌍성의 특성과 일치하는 제곱온도 의존성을 발견하였다. Nd 샘플은 자성 불순물로 인해 이례적인 거동를 보이며, 단순한 갭이 있는 모델이나 노드가 있는 모델과 일치하지 않는 복잡한 저온 물리 현상을 시사한다.

ABSTRACT

Infinite-layer nickelates present a new family of potential unconventional superconductors. A key open question is the superconducting pairing symmetry. We present low-temperature measurements of the London penetration depth in optimally doped La_{0.8}Sr_{0.2}NiO_{2}, Pr_{0.8}Sr_{0.2}NiO_{2}, and Nd_{0.8}Sr_{0.2}NiO_{2}. For La and Pr-nickelates, the superfluid density shows a quadratic temperature dependence, indicating nodal superconductivity in the presence of disorder. Nd-nickelate exhibits complex low-temperature behavior, which we attribute to magnetic impurities. These results are consistent with d-wave pairing.

연구 동기 및 목표

• 무한층 니켈산화물, 새로운 비단순 초전도체 가족의 초전도 쌍성 대칭을 규명하기 위해.
• 초전도 갭이 노드를 가지는지 확인하여 비단순 쌍성의 핵심 특징을 규명하기 위해.
• 런던 침투 깊이의 온도 의존성을 이용해 s-파동과 d-파동 쌍성 대칭을 구분하기 위해.
• 이물질과 자성 불순물이 이러한 물질의 초전도 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 니켈산화물이 코플레이트와 유사한 쌍성 메커니즘을 가지는지 확인하기 위해.

제안 방법

• La0.8Sr0.2NiO2, Pr0.8Sr0.2NiO2, Nd0.8Sr0.2NiO2의 박막 샘플을 이용해 상호 인덕도를 통해 런던 침투 깊이 λ(T)를 150 mK까지 측정하였다.
• 초전도 밀도 ns(T) = n_s(0) × (1 - T/Tc)^2 의 온도 의존성을 통해 갭 구조를 유추하였다.
• λ(T) 데이터에 대해 거듭제곱법 및 지수함수적 피팅을 적용하여, 노드가 있는(제곱) 및 노드가 없는(지수함수) 초전도 갭을 구분하였다.
• T** ≈ Tc 인 중간 불순물 농도 조건을 고려한 더러운 한계 BCS 모델을 적용하였다.
• Δns/ns 대 1/T 의 아레니우스 및 로그-로그 플롯을 통해 스케일링 행동을 분석하고, 예상되는 지수함수 또는 거듭제곱 법칙과의 이탈 여부를 확인하였다.
• 자성 불순물의 영향을 고려하기 위해 침투 깊이 거동을 자성 투과도 영향과 비교하고 전이의 넓이 확장 여부를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무한층 니켈산화물의 초전도 갭이 노드를 가지는가? 이는 비단순 쌍성의 징후이다.
• RQ2 이 물질들에서의 쌍성 대칭은 코플레이트와 유사하게 d_{x²−y²}-파동 쌍성과 일치하는가?
• RQ3 불순물과 자성 불순물은 측정된 침투 깊이와 초전도 밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 왜 Nd0.8Sr0.2NiO2는 표준 노드가 있는 또는 갭이 있는 초전도성과 일치하지 않는 이례적인 저온 거동를 보이는가?
• RQ5 온도에 따른 초전도 밀도의 관측된 스케일링은 더러운 d-파동 메커니즘으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• La0.8Sr0.2NiO2 및 Pr0.8Sr0.2NiO2는 150 mK까지 초전도 밀도의 제곱온도 의존성을 보이며, 이는 노드가 있는 초전도성과 일치한다.
• La 및 Pr 샘플의 데이터는 더러운 한계 d-파동 BCS 모델(Eq. 2)에 잘 맞으며, T** ≈ Tc 이므로 중간 수준의 불순물 농도를 시사한다.
• 초전도 밀도의 거듭제곱 법칙 스케일링(기울기 ≈ 1.7)이 Tc 근처부터 150 mK까지 유지되며, 코플레이트와 유사한 거동를 보인다.
• Nd0.8Sr0.2NiO2는 1 K 이하에서 명백한 초전도 밀도가 평탄해지며, 지수함수 또는 거듭제곱 법칙 스케일링과 일치하지 않아 자성 불순물 효과를 시사한다.
• Nd 샘플의 지수함수 피팅으로부터 최소 갭이 0.8kBTc로 도출되었으며, 이는 BCS 약한 결합 한계인 1.76kBTc 이하이므로 비초전도적 기원을 시사한다.
• Nd-니켈산화물의 넓고 비정상적인 초전도 전이와 함께 이례적인 자기장 반응은 주로 자성 결함이 복잡한 거동의 근본 원인임을 뒷받침한다.