[논문 리뷰] Pairing symmetry in infinite-layer nickelate superconductor

L. E. Chow, S. Kunniniyil Sudheesh외 12명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 25.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 고질적 (Nd,Sr)NiO₂ 및 (La,Ca)NiO₂ 박막을 대상으로 한 룬던 침투 깊이 측정을 통해 무한층 니켈산화물 초전도체에서의 쌍대칭을 규명한다. 넇드림 기반 니켈산화물에서는 노드 없는 (d+is)-파면 주기상수를 보이며, 랜타니드 기반 시스템과는 대조적으로 더러운 선노드 거동을 보인다. 이는 단순한 d-파면 이론을 도전하며, 단순한 d-파면 대칭을 초월한 더 복잡한 쌍결합 메커니즘을 시사한다.

ABSTRACT

The superconducting infinite-layer nickelate family has risen as a promising platform for revealing the mechanism of high-temperature superconductivity. However, its challenging material synthesis has obscured effort in understanding the nature of its ground state and low-lying excitations, which is a prerequisite for identifying the origin of the Cooper pairing in high-temperature superconductors. In particular, the superconducting gap symmetry of nickelates has hardly been investigated and remains controversial. Here, we report the pairing symmetry of the infinite-layer nickelates determined by London penetration depth measurements in neodymium-based (Nd,Sr)NiO$_2$ and lanthanide-based (La,Ca)NiO$_2$ thin films of high crystallinity. A rare-earth-specific order parameter is observed. While the lanthanide nickelates follow dirty line-node behaviour, the neodymium-counterpart exhibits nodeless order parameters such as the $(d+is)$ wave. In contrast to the cuprates, our results suggest that the superconducting order parameter in nickelates is beyond a single $d_(x^2-y^2 )$-wave gap. Furthermore, the superfluid density shows a long tail near the superconducting transition temperature which is consistent with the emergence of a two-dimensional to three-dimensional crossover in the superconducting state. These observations challenge the early theoretical framework and propel further experimental and theoretical interests in the pairing nature of the infinite-layer nickelate family.

연구 동기 및 목표

• 무한층 니켈산화물에서의 초전도 갭 대칭에 대한 오랫동안 지속된 논란을 해결하기 위해.
• 니켈산화물 계열의 체계적 연구를 통해 고온 초전도체에서 코플러 쌍의 성격을 이해하기 위해.
• 희토류 카이온이 초전도 오더 파라미터 대칭을 결정하는 데 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 초전도 상태에서의 차원성 전이를 초전도 밀도 측정을 통해 탐색하기 위해.
• 니켈산화물에서 d_{x²−y²}-파면 쌍결합을 가정하는 기존 이론적 프레임워크를 도전하기 위해.

제안 방법

• 고정결정성의 높은 (Nd,Sr)NiO₂ 및 (La,Ca)NiO₂ 에피택시얼 박막에서 고정밀 룬던 침투 깊이 측정을 수행하였다.
• 온도 의존성 자기 침투 깊이를 사용하여 초전도 밀도를 추출하고 초전도 갭의 대칭을 유추하였다.
• 침투 깊이의 온도 의존성을 분석하여 노드 없는 구조와 노드가 있는 갭의 차이를 구분하였다.
• 관측된 거동을 d-파면, s-파면, (d+is)-파면 쌍대칭 이론 모델과 비교하였다.
• 두 가지 차원에서 세 가지 차원으로의 전이 모델을 사용하여 Tc 근처에서의 초전도 밀도 장꼬리 현상을 해석하였다.
• 네드림 기반 및 랜타니드 기반 니켈산화물 시스템 간의 체계적 비교를 통해 희토류 특유의 영향을 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무한층 니켈산화물의 초전도 상태에서의 쌍대칭은 무엇인가?
• RQ2 네드림 기반과 랜타니드 기반 니켈산화물 간의 초전도 갭 구조는 어떻게 다를까?
• RQ3 니켈산화물의 초전도 오더 파라미터는 커퍼스와 유사하게 단순한 d_{x²−y²}-파면 대칭을 따르는가?
• RQ4 Tc 근처에서 초전도 밀도의 장꼬리 현상의 근본 원인은 무엇이며, 이는 차원성에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 희토류 카이온은 초전도 갭 대칭과 쌍결합 메커니즘에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 네드림 기반 (Nd,Sr)NiO₂는 노드 없는 초전도 갭을 보이며, 이는 단순한 d_{x²−y²}-파면 대칭을 초월한 복잡한 쌍결합 상태를 나타낸다.
• 반면, 랜타니드 기반 (La,Ca)NiO₂는 더러운 선노드 거동을 보이며, 불순물 산란이 있는 d_{x²−y²}-파면 갭과 일치한다.
• 양 시스템의 초전도 밀도는 Tc 근처에서 장꼬리를 보이며, 초전도 상태에서 두 차원에서 세 차원으로의 전이가 일어나고 있음을 시사한다.
• 관측된 희토류 특유의 오더 파라미터 대칭은 전자 구조와 스핀-오비탈 결합 효과가 니켈산화물 쌍결합에서 핵심적인 역할을 한다는 것을 시사한다.
• 결과적으로 초기 이론적 가정인 니켈산화물이 d_{x²−y²}-파면 초전도체라는 것을 도전하며, 새로운 이론적 프레임워크가 필요하다.
• 이 연구는 서로 다른 니켈산화물 계열 간의 쌍대칭에 명확한 구분을 제시하며, 카이온에 의존하는 전자 효과의 중요성을 부각시킨다.