[논문 리뷰] Quantifying interaction mechanism in infinite layer nickelate superconductors

E. F. Talantsev|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 28.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 75인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고급 블로흐-그루나이제른 모델을 사용하여 무한층 구조 니켈산화물 초전도체(R1-xSrxNiO2)에서 온도 의존 전기저항을 분석하여 전자 산란 메커니즘을 정량화한다. 네odymium- 및 praseodymium-기반 화합물에서는 p=2.0을 관측하여 전자-전자 산란을 나타내며, 라듐-기반 화합물에서는 p=1.3을 관측하여 기존 이론으로는 설명할 수 없는 현상이 나타난다. 이는 기존 모델에 도전하며, 이러한 물질에서 단거리 반자성 상호작용을 기술하기 위한 새로운 이론적 프레임워크가 필요하다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

The relationship between the long-range antiferromagnetic order in cuprates and the high-temperature superconductivity in these compounds represents unresolved, nearly four-decades long scientific problem. Because recently discovered nickelate superconductors are crystallographical counterparts of cuprates, many properties and difficulties into describing these compounds are common to both families. Recently, Fowlie et al (2022 Nature Physics 18 1043) aimed to detect the antiferromagnetic order in $R_{1-x}Sr_{x}NiO_{2}$ (R = Nd, Pr, La, x ~ 0.2) films by using the muon spin rotation (muSR) technique. This research group reported on the existence of short-range antiferromagnetic order in all studied nickelates. Here, we aimed to reveal the existence of this interaction in the same nickelate films by analyzing the temperature dependent resistivity, $ρ(T)$, reported by the same research group. Global $ρ(T)$ data fits to the advanced Bloch-Grüneisen model showed that each of R1-xSrxNiO2 compounds can be characterized by a unique power-law exponent, p (where p=2 for the electron-electron scattering, p=3 for the electron-magnon scattering, and p=5 for the electron-phonon scattering), and global characteristic temperature, $T_ω$ (which has the meaning of the Debye temperature at p=5). We found that p=2.0 in Nd- and Pr-based compounds, and p=1.3 for La-based compound. The latter value does not have any interpretation within established theoretical models. We also analyzed $ρ(T)$ data for $Nd_{1-x}Sr_{x}NiO_{2}$ (0.125 < x < 0.325) reported by Lee et al (2022 arXiv2203.02580). Because our analysis showed that p-values in nickelates are remarkably different from p=3, we call for the developent of a new theoretical model to describe $ρ(T)$ in materials exhibiting a short-range antiferromagnetic order.

연구 동기 및 목표

• 저항도 데이터를 활용하여 무한층 니켈산화물 초전도체(R1-xSrxNiO2)에서 전자 산란 메커니즘을 조사한다.
• 기존 산란 모델(전자-전자, 전자-마그논, 전자-포논)이 관측된 온도 의존 전기저항을 설명하는지 여부를 확인한다.
• 기대되는 p-값(예: 전자-마그논 산란의 경우 p=3)과의 이탈을 식별하고 그 이론적 함의를 평가한다.
• 라듐-기반 니켈산화물에서 비물리적인 p-값(p=1.3)을 확인함으로써 기존 이론 모델을 도전한다.
• 단거리 반자성 질서를 갖는 물질에서 전자 상호작용을 기술하기 위한 새로운 이론적 프레임워크 개발을 주장한다.

제안 방법

• Nd-, Pr-, La-기반 R1-xSrxNiO2 필름의 온도 의존 전기저항(ρ(T)) 데이터를 고급 블로흐-그루나이제른 모델에 대해 글로벌 피팅한다.
• 전력법칙 지수 p를 사용하여 주요 전자 산란 메커니즘을 분류: p=2(전자-전자), p=3(전자-마그논), p=5(전자-포논).
• 전역 특성 온도 Tω를 추출하며, p=5일 경우 이를 딜라 온도로 해석한다.
• Lee 등(2022)이 보고한 Nd1-xSrxNiO2(0.125 < x < 0.325)의 ρ(T) 데이터를 분석하여 데이터 세트 간 일관성을 검증한다.
• 다양한 희토류 도핑 원소에 따른 p-값을 비교하여 산란 행동이 보편적인지 또는 물질에 특화된 것인지 평가한다.
• muSR 연구에서 Fowlie 등(2022)이 보고한 동일한 저항도 데이터를 사용하여 물리적 해석의 일관성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Nd1-xSrxNiO2 및 Pr1-xSrxNiO2 필름에서 ρ(T) 분석을 바탕으로 주요 전자 산란 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 La1-xSrxNiO2 화합물에서 p=1.3의 전력법칙 지수를 보이는 이유는 기존 모델에서 이론적으로 설명되지 않는가?
• RQ3 니켈산화물에서 관측된 p-값은 단거리 반자성 질서를 갖는 시스템에서 전자-마그논 산란에 기대되는 p=3과 일치하는가?
• RQ4 특성 온도 Tω는 p≠5일 경우에도 이 물질들에서 딜라 온도의 신뢰할 수 있는 대체 척도가 될 수 있는가?
• RQ5 니켈산화물의 저항도 거동은 현재 이론 모델로 일관되게 기술될 수 있는가, 아니면 새로운 프레임워크가 필요한가?

주요 결과

• Nd1-xSrxNiO2 및 Pr1-xSrxNiO2 화합물은 전력법칙 지수 p=2.0을 보이며, 이는 전자-전자 산란이 주요 메커니즘임을 나타낸다.
• La1-xSrxNiO2는 p-값이 1.3으로 나타나 있으며, 이는 기존 산란 모델과 부합하지 않으며 이론적 설명이 없는 상태이다.
• 니켈산화물의 p-값은 반자성 시스템에서 전자-마그논 산란에 기대되는 p=3과는 유의미하게 다름을 보인다.
• 피팅을 통해 추출된 특성 온도 Tω는 라듐-기반 화합물에서 딜라 온도 기대치와 일치하지 않으며, 포논 주도 산란에서의 이탈을 시사한다.
• 다양한 니켈산화물 시스템에서 관측된 저항도 거동은 기존 이론 모델로는 설명할 수 없으며, 새로운 이론적 개발이 필요하다는 것을 시사한다.
• 이 연구는 단거리 반자성 질서를 갖는 물질에서 전자 상호작용을 기술하기 위한 새로운 이론적 프레임워크 개발을 촉구하며, 특히 라듐-기반 화합물에서 설명되지 않은 p=1.3에 기반하여 이를 강조한다.