[논문 리뷰] Identification of the superconductivity in bilayer nickelate La$_3$Ni$_2$O$_7$ upon 100 GPa

Jing Li, Peng, Di외 15명|arXiv (Cornell University)|2024. 04. 17.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 고압에서 La3Ni2O7에서 벌크 초전도성을 보이며, Tc 시작은 18 GPa에서 83 K, 약 40 GPa에서의 구조적 전이, 80 GPa까지의 Meissner 증거, 22 GPa에서 최대 62.7%의 초전도 부피 분율을 포함한다.

ABSTRACT

Identification of superconductivity in the Ruddlesden-Popper phases of nickelates under high pressure remains challenging. Here, we report a comprehensive study of the crystal structure, resistance, and Meissner effect in single crystals of La$_3$Ni$_2$O$_7$ with hydrostatic pressures up to 104 GPa. X-ray diffraction measurements reveal a structural transition from the orthorhombic to a tetragonal phase above 40 GPa. Zero resistance of the superconductivity was achieved with a maximum onset $T_c^{onset}$ of 83 K at 18.0 GPa. Superconductivity is gradually suppressed until it disappears above 80 GPa, resulting in a right-triangle-like superconducting region. The direct-current magnetic susceptibility technique successfully detected the Meissner effect in La$_3$Ni$_2$O$_7$ under pressure; the maximum superconducting volume fraction is estimated to be 62.7% at 22.0 GPa. Thus, we demonstrate the bulk nature of superconductivity in the bilayer nickelate La$_3$Ni$_2$O$_7$ single crystals under high pressure. The results reveal intimate connections among the superconductivity, oxygen content, and structure in La$_3$Ni$_2$O$_7$.

연구 동기 및 목표

• 극한 압력 하에서 Ruddlesden-Popper 니켈레이트에서 초전도성을 탐색하도록 동기를 부여한다.
• 수압 상태에서 결정 구조, 전기 저항 및 자기 반응이 ~104 GPa까지 진화하는 방식을 특징짓다.
• La$_3$Ni$_2$O$_7$의 산소 함량 및 구조적 변화와의 관계 속에서 초전도성의 벌크 특성을 확립하다.
• 압력 하에서 초전도 상의 범위와 부피 분율을 정량화하다.

제안 방법

• 104 GPa까지의 압력에서 구조 상을 추적하기 위해 X선 회절을 수행한다.
• 초전도 현상의 저저항 시작을 식별하기 위해 전기 저항을 측정한다.
• 메이스너 효과를 감지하고 초전도 부피 분율을 추정하기 위해 직류 자기 감응도를 사용한다.
• La$_3$Ni$_2$O$_7$의 단결정에 대한 수압을 적용하여 구조, 수송 및 자성을 연관 짓다.
• Tc onset의 압력 의존도와 초전도성이 지속되는 압력 범위를 결정하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 La$_3$Ni$_2$O$_7$은 ~100 GPa까지의 고압에서 초전도성을 나타내는가?
• RQ2 압력에 따른 Tc onset는 무엇이며, 구조적 변화와 함께 어떻게 변화하는가?
• RQ3 관측된 초전도성이 Meissner 효과와 부피 분율 측정에 의해 입증된 벌크 특성인가?
• RQ4 초전도성, 산소 함량, 결정 구조는 압력하에서 어떻게 상호 연관되는가?
• RQ5 초전도성이 존재하는 압력 범위는 어디이며, 고압에서 어떻게 소멸하는가?

주요 결과

• 저저항 초전도성이 18.0 GPa에서 Tc 시작 83 K로 관찰된다.
• 초전도성은 80 GPa를 넘어서 점차 사라져 직각삼각형 모양의 초전도 영역을 형성한다.
• DC 자기 감응도는 Meissner 효과를 감지하며, 22.0 GPa에서 최대 62.7%의 초전도 부피 분율을 보인다.
• X선 회절은 40 GPa 이상에서 직교계에서 정방정계로의 구조 전이를 보여준다.
• 이 결과는 고압 하에서 La$_3$Ni$_2$O$_7$에서 벌크 초전도성을 나타내며 초전도성, 산소 함량 및 구조 간의 연관성을 밝힌다.