[논문 리뷰] High-temperature superconductivity with zero-resistance and strange metal behavior in La$_{3}$Ni$_{2}$O$_{7-δ}$

Yanan Zhang, Dajun Su외 14명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 27.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 42

한 줄 요약

요약: 이 연구는 높은 압력(≈20–30 GPa)에서 La3Ni2O7의 제로 저항 초전도성을 보여주고 동시의 이상 금속 정상 상태를 관찰하여 초전도성과 이상 금속 거동 사이의 연관성을 드러낸다.

ABSTRACT

Recently signatures of superconductivity were observed close to 80 K in \LN\ under pressure. This discovery positions \LN\ as the first bulk nickelate with high-temperature superconductivity, but the lack of zero resistance presents a significant drawback for validating the findings. Here we report pressure measurements up to over 30 GPa using a liquid pressure medium and show that single crystals of \LNO\ do exhibit zero resistance. We find that \LNO\ remains metallic under applied pressures, suggesting the absence of a metal-insulator transition proximate to the superconductivity. Analysis of the normal state $T$-linear resistance suggests an intricate link between this strange metal behaviour and superconductivity, whereby at high pressures both the linear resistance coefficient and superconducting transition are slowly suppressed by pressure, while at intermediate pressures both the superconductivity and strange metal behaviour appear disrupted, possibly due to a nearby structural instability. The association between strange metal behaviour and high-temperature superconductivity is very much in line with diverse classes of unconventional superconductors, including the cuprates and Fe-based superconductors. Understanding the superconductivity of \LNO\ evidently requires further revealing the interplay of strange metal behaviour, superconductivity, as well as possible competing electronic or structural phases.

연구 동기 및 목표

• 레이어드 니켈레이트에서 수압 조건의 고압 하에서 고온 초전도성을 탐색하려는 동기를 부여한다.
• La3Ni2O7이 압력하에서 제로 전기저항을 보이는지와 초전도 전이 온도(Tc)를 매핑한다.
• 정상상태 저항성과 그 선형-온도(이상 금속) 거동 및 Tc와의 관계를 특성화한다.
• 초전도성에 대한 압력의 영향, 이상 금속 거동, 가능 한 구조/전자상태 전이의 영향 여부를 분석한다.
• 발견을 구라프와 Fe 기반 초전도체와 비교하여 비고전적 짝짓기 메커니즘을 이해한다.

제안 방법

• 리트-압력 매질을 사용하는 피스톤-실린더 및 다이아몬드 애니클 셀에서 >30 GPa까지 수소압을 적용한다.
• 압력별로 Tc 시작 및 제로 저항 상태를 식별하기 위해 전기 저항 R(T)을 측정한다.
• 정상상태 R(T)을 선형-온도 적합으로 분석하여 이상 금속 거동(A′ 계수)을 정량화한다.
• 상대 임계전력(Hc2)와 온도 의존성을 추출하기 위해 자기장 의존 R(T)을 수행한다.
• 열적으로 활성화된 플럭스 흐름(TAFF) 분석으로 활성화 에너지 U0(H)와 그 자기장 의존성을 추출한다.
• 초전도성과 구조적/전자상태 전이 간의 관련성을 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 La3Ni2O7가 고압에서 벌크 초전도성을 시사하는 제로 전기 저항을 보이는가?
• RQ2 압력하에서 관찰된 이상 금속 거동(선형-온도 저항)과 초전도성 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ3 Tc와 이상 금속 매개변수는 압력에 따라 어떻게 진화하며, 구조상 단계가 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 CDW나 구조적 전이와 같은 경쟁 전자/구조질서가 초전도성에 영향을 미치는 증거가 있는가?

주요 결과

• La3Ni2O7은 약 40 K에서 제로 저항을 보이며 Tc 시작은 20.5 GPa에서 최대 66 K까지 도달한다.
• 재료는 압력하에서도 금속성을 유지하며 초전도성 주위에 금속-절연전이가 발생하지 않는다.
• 정상상태 저항은 확장된 구간에서 T-선형 거동을 보이며 Tc 최대 부근에서 가장 강하고, 압력에 따라 A′가 감소한다.
• 상대 임계장 Hc2은 20.5 GPa에서 약 97 T, 26.6 GPa에서 83 T로 외삽된다.
• 열활성화된 플럭스 흐름 분석으로 U0(1 T) ≈ 702 K이며 강한 자기장 의존성 없이 U0(H) ∝ H^(-0.12)로 나타난다.
• Tc와 T-선형 저항 영역은 약 20–16 GPa 부근에서 정점에 도달한 후 추가 압력에 따라 감소하며, 구조적 불안정성 및 경쟁 상과의 상호작용을 시사한다.