[논문 리뷰] Pauli-limit violation in lanthanide infinite-layer nickelate superconductors

L. E. Chow, K. Y. Yip외 16명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 26.

Iron-based superconductors research인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 랜타니드 니켈산염 초전도체 La₁₋ₓ(Ca/Sr)ₓNiO₂에서 모든 결정학적 방향으로 Pauli 한계를 크게 초과하는 등방성 위반을 보고한다—이론적 상한선을 두 배 이상 초월하며, 이는 비스핀-싱글렛 쿠퍼 쌍성의 가능성을 시사한다. 이 발견은 전통적인 초전도 메커니즘에 도전하며, 고온에서의 스핀-트리플렛 쌍성 채널을 시사하며, 토폴로지적 양자 컴퓨팅과 스피논이크스에 대한 영향을 미친다.

ABSTRACT

Superconductivity can be destroyed by a magnetic field with an upper bound known as the Pauli-limit in spin-singlet superconductors. Almost all the discovered superconductors are spin-singlet, with the highest transition temperature $T_c$ at ambient pressure achieved in the cuprate family. The closest cuprate analogue is the recently discovered infinite-layer nickelate, which hosts substantial structural and electronic similarity to the cuprate. A previous magnetotransport study on Nd$_{0.775}$Sr$_{0.225}$NiO$_2$ has observed an isotropic Pauli-limited upper critical field. Here, we report a large violation (>2 times) of Pauli-limit in every crystallographic directions in La$_{1-x}$(Ca/Sr)$_x$NiO$_2$ regardless of the doping $x$. Such a large violation of the Pauli-limit in all directions in La$_{1-x}$(Ca/Sr)$_x$NiO$_2$ is unexpected and unlikely accounted by a Fulde Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO)-state, strong spin-orbit-coupling, strong-coupling or a large pseudogap. On the other hand, in agreement with the previous report, we observe a Pauli-limiting critical field in Nd$_{1-x}$Sr$_x$NiO$_2$ and the superconducting anisotropy decreases as doping increases, suggesting a spin-singlet pairing. Therefore, superconductivity in La$_{1-x}$(Ca/Sr)$_x$NiO$_2$ could be driven by a non-spin-singlet Cooper pairing mechanism with an attractive high-$T_c$ at 10 K, an order of magnitude higher than the known spin triplet superconductors, favourably extending the application of spin-triplet superconductivity in topological matter, non-dissipative spintronics, and quantum computing.

연구 동기 및 목표

• 강한 자기장 하에서 랜타니드 무한층 니켈산염, 특히 La₁₋ₓ(Ca/Sr)ₓNiO₂의 초전도성의 성격을 조사하기 위해.
• 관측된 상한 임계장이 Pauli 한계를 초과하는지 확인하여 비상관 쌍성 대칭의 가능성을 규명하기 위해.
• 스핀-싱글렛과 비스핀-싱글렛 쌍성 메커니즘을 구별하기 위해 La 기반과 Nd 기반 니켈산염의 행동을 대조하기 위해.
• 관측된 Pauli 한계 위반의 대체 설명, 예를 들어 FFLO 상태, 강한 스핀-오비탈 결합, 또는 허위 갭 효과 등을 배제하기 위해.

제안 방법

• 다양한 도핑 수준(x)에서 La₁₋ₓ(Ca/Sr)ₓNiO₂의 단결정 시료를 대상으로 자화 전도도 측정을 수행한다.
• 다양한 결정학적 방향에서 상한 임계장(Hc2)을 측정하여 이방성과 자기장 방향 의존성을 평가한다.
• BCS 이론에 기반한 스핀-싱글렛 쌍성에 대한 Pauli 비磁성 한계장(H_P)과 관측된 Hc2 값을 비교한다.
• Nd₁₋ₓSrₓNiO₂의 도핑 의존성 초전도 이방성을 분석하여 스핀-싱글렛 특성을 평가한다.
• 이론적 제약 조건을 사용하여 FFLO 상태, 강한 스핀-오비탈 결합, 강한 결합 효과 등의 대체 메커니즘을 배제한다.
• 기존의 관련 물질에서 알려진 허위 갭 서명과 Hc2 행동을 비교하여 허위 갭 효과의 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 La₁₋ₓ(Ca/Sr)ₓNiO₂에서 상한 임계장이 모든 결정학적 방향에서 Pauli 한계를 초과하는가?
• RQ2 관측된 Pauli 한계 위반의 근본 원인은 무엇이며, FFLO 또는 강한 스핀-오비탈 결합과 같은 전통적 메커니즘으로 설명될 수 있는가?
• RQ3 Nd₁₋ₓSrₓNiO₂의 초전도 이방성은 도핑에 따라 어떻게 변화하며, 이는 그 쌍성 대칭에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 La 기반 니켈산염에서의 Pauli 한계 위반은 스핀-트리플렛 쌍성 메커니즘과 일관된가?
• RQ5 관측된 행동이 토폴로지적 응용 가능성이 있는 새로운 고온 스핀-트리플렛 초전도 상태를 시사하는가?

주요 결과

• La₁₋ₓ(Ca/Sr)ₓNiO₂에서 모든 결정학적 방향에서 도핑 수준에 관계없이 Pauli 한계를 200% 이상 초과하는 큰 위반이 관측된다.
• Pauli 한계 위반은 등방성이며, 궤도 또는 스핀 이방성에 제약을 받지 않는 쌍성 메커니즘을 시사한다.
• 반면, Nd₁₋ₓSrₓNiO₂는 Pauli 제한된 Hc2를 보이며, 도핑 증가에 따라 이방성이 감소하여 스핀-싱글렛 쌍성과 일치한다.
• La 기반 니켈산염에서의 Pauli 한계 위반은 FFLO 상태, 강한 스핀-오비탈 결합, 강한 결합 효과, 또는 큰 허위 갭으로서 설명될 수 없다.
• 결과적으로 La₁₋ₓ(Ca/Sr)ₓNiO₂에서 비스핀-싱글렛 쿠퍼 쌍성 메커니즘이 존재하며, 임계 온도는 약 10 K로 알려진 스핀-트리플렛 초전도체보다 약 10배 높다.
• 이러한 발견은 고온 스핀-트리플렛 초전도성으로의 잠재적 길을 제시하며, 토폴로지적 양자 컴퓨팅과 비소산 스피논이크스에 관련된 중요성과 기여를 한다.