[논문 리뷰] Superconductivity in infinite-layer lanthanide nickelates

Shengwei Zeng, Changjian Li외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 27.

Iron-based superconductors research참고 문헌 27인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 무한층구조 Ca-doped LaNiO2 투명막에서 초전도성의 발생을 보고하며, 0.15 < x < 0.3 범위에서 초전도 도메인을 나타내고, 덜 도핑된 상태와 비도핑 상태에서는 절연체 행동를 보인다. Nd- 및 Pr-기반 니켈레이트와는 달리, 모든 도핑 수준에서 약 35 K에서 홀 계수의 부호 변화가 관찰되어, 격자 상관관계에 의해 영향을 받는 고유한 다밴드 구조를 나타낸다.

ABSTRACT

The origin of high-Tc superconductivity remains an enigma even though tremendous research effort and progress have been made on cuprate and iron pnictide superconductors. Aiming to mimic the cuprate-like electronic configuration of transition metal, superconductivity has been recently found in nickelates. This discovery hallmarks a new era in the search and understanding of the high-Tc superconductivity. However, unlike the cuprate and iron pnictide, in which the superconductivity was initially found in a compound containing La, the superconductivity in the nickelate has only been observed in Nd- and Pr-based compounds. This raises a central question of whether the f electron of the rare-earth element is critical for superconductivity in the nickelates. Here, we report the observation of superconductivity in infinite-layer Ca-doped LaNiO2 (La1-xCaxNiO2) thin films and construct their phase diagram. Unlike the metal-insulator transition in Nd- and Pr-based nickelates, the undoped and underdoped La1-xCaxNiO2 thin films are entirely insulating from 300 down to 2 K. A superconducting dome is observed from 0.15<x<0.3 with weakly insulating behavior at the overdoped regime. Moreover, the sign of the Hall coefficient RH changes at low temperature for samples with a higher doping level. However, distinct from the Nd- and Pr-based nickelates, the RH-sign-change temperature remains around 35 K as the doping increases, suggesting a different multiband structure in the La1-xCaxNiO2. These results also emphasize the significant role of lattice correlation on the multiband structures of the infinite-layer nickelates.

연구 동기 및 목표

• Nd- 및 Pr-기반 시스템을 초월하여 무한층구조 랜타니드 니켈레이트에서 초전도성의 발생을 조사하는 것.
• 희토류 원소의 f 전자가 니켈레이트에서 초전도성에 필수적인지 확인하는 것.
• Ca-doped LaNiO2 투명막의 상도를 구성하고 전자 상전이를 이해하는 것.
• 격자 상관관계가 이러한 물질의 다밴드 전자 구조에 미치는 역할을 조사하는 것.

제안 방법

• 정밀한 도핑 제어를 위해 펄스 레이저 증착을 통해 La1-xCaxNiO2 에피택셜 투명막을 합성하였다.
• 300 K에서 2 K까지의 저온에서 전기적 성질을 분석하기 위해 저항도 및 홀 계수 측정을 수행하였다.
• 다양한 Ca 도핑 수준(x)에서 온도 의존 저항도 및 홀 계수 데이터를 분석하여 상도를 구성하였다.
• 도핑 및 온도에 따른 홀 계수 부호 변화를 추적하여 실체적이고 다밴드 기여를 추론하였다.
• f 전자 구조의 역할을 평가하기 위해 Nd- 및 Pr-기반 니켈레이트와의 비교 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 희토류 카이온이 Nd 또는 Pr가 아닌 La일 경우 무한층구조 니켈레이트에서 초전도성이 유지되는가?
• RQ2 희토류 카이온의 f 전자가 니켈레이트에서 초전도성에 필수적인가?
• RQ3 La1-xCaxNiO2에서 다밴드 전자 구조는 Nd- 및 Pr-기반 시스템과 비교해 어떻게 변화하는가?
• RQ4 격자 상관관계는 무한층구조 니켈레이트의 전자적 성질을 어떻게 형성하는가?
• RQ5 La1-xCaxNiO2에서 다양한 도핑 수준에서 홀 계수 부호 변화가 약 35 K에서 일정하게 관찰되는 이유는 무엇인가?

주요 결과

• Ca-doped LaNiO2 투명막에서 0.15 < x < 0.3 범위에서 초전도성이 관찰되었으며, 초전도 도메인을 형성한다.
• 비도핑 및 저도핑 상태의 La1-xCaxNiO2 투명막은 300 K에서 2 K까지 모두 절연체 행동를 보이며, Nd- 및 Pr-기반 니켈레이트에서 관찰되는 금속-절연체 전이와 대조된다.
• 모든 고도핑 수준에서 약 35 K에서 홀 계수 부호 변화가 발생하여 안정적인 다밴드 구조를 나타낸다.
• 홀 계수 행동은 유사한 도핑 수준임에도 불구하고, La1-xCaxNiO2는 Nd- 및 Pr-기반 니켈레이트와 다른 전자 구조를 가짐을 시사한다.
• 격자 상관관계는 무한층구조 니켈레이트에서 다밴드 전자 구조에 영향을 주는 핵심 요소로 규명되었다.