[논문 리뷰] Superconductivity in pressurized trilayer La$_4$Ni$_3$O$_{10-δ}$ single crystals

Yinghao Zhu, Di Peng외 28명|arXiv (Cornell University)|2023. 11. 13.

Rare-earth and actinide compounds참고 문헌 48인용 수 8

한 줄 요약

본 연구는 trilayer La4Ni3O10-δ에 고압을 가하면 69.0 GPa에서 Tc ≈ 30 K의 벌크 초전도성을 유도하고, 이상금속 거동과 층-의존적 결합이 동반된다.

ABSTRACT

The pursuit of discovering new high-temperature superconductors that diverge from the copper-based paradigm1-3 carries profound implications for elucidating mechanisms behind superconductivity and may also enable new applications4-8. Here, our investigation reveals that application of pressure effectively suppresses the spin and charge order in trilayer nickelate La4Ni3O10-δ single crystals, leading to the emergence of superconductivity with a maximum critical temperature (Tc) of around 30 K at 69.0 GPa. The DC susceptibility measurements confirm a substantial diamagnetic response below Tc, indicating the presence of bulk superconductivity with a volume fraction exceeding 80%. In the normal state, we observe a "strange metal" behavior, characterized by a linear temperature-dependent resistance extending up to 300 K. Furthermore, the layer-dependent superconductivity observed hints at a unique interlayer coupling mechanism specific to nickelates, setting them apart from cuprates in this regard. Our findings provide crucial insights into the fundamental mechanisms underpinning superconductivity, while also introducing a new material platform to explore the intricate interplay between the spin/charge order, flat band structures, interlayer coupling, strange metal behavior and high-temperature superconductivity.

연구 동기 및 목표

• 구리 기반 패러다임을 넘어선 니켈레이트 초전도성 탐구를 촉진한다.
• 스핀/전하 순서를 억제하고 La4Ni3O10-δ에서 초전도성을 드러내는 도구로서 압력을 시연한다.
• 고압하에서 초전도 상태와 그 벌크 특성을 분석한다.

제안 방법

• trilayer La4Ni3O10-δ 단결정을 합성한다.
• 초전도성을 유도하기 위해 최대 69.0 GPa까지 고압을 적용한다.
• 직류 자기 감응도(DC 자화율)를 측정하여 반자성 응답과 벌크 초전도성(부피 분율 >80%)을 평가한다.
• 정상상태 수송 특성을 조사하여 300 K까지 선형-온도 저항을 보이는 이상금속 거동을 확인한다.
• 층 의존적 초전도성을 분석하여 층간 결합 메커니즘을 추론한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압력이 La4Ni3O10-δ에서 스핀 및 전하 순서를 억제하고 초전도성을 드러낼 수 있는가?
• RQ2 압력 하에서 달성 가능한 최대 Tc는 무엇이며 어떤 압력에서 발생하는가?
• RQ3 초전도 상태가 벌크 특성을 보이며 층간 결합이 어떻게 나타나는가?
• RQ4 초전도 상에서 동반되는 정상 상태 수송 거동은 무엇인가?
• RQ5 층 의존성은 니켈레이트의 초전도성 기전을 어떻게 시사하는가?

주요 결과

• 고압 하에서 초전도성이 나타나며 최대 Tc가 69.0 GPa에서 약 30 K에 이른다.
• DC 자화율은 벌크 초전도성을 시사하는 상당한 반자성 응답을 보여 부피 분율이 >80%에 달한다.
• 정상 상태 수송은 300 K까지 선형-온도 의 저항으로 이상금속 거동을 보인다.
• 층 의존적 초전도성은 구형 cuprates에 일반적이지 않은 니켈레이트에서의 고유한 층간 결합 기전을 시사한다.