[논문 리뷰] Superconductivity in the parent infinite-layer nickelate NdNiO$_2$

C. T. Parzyck, Y. Wu외 15명|DIGITAL.CSIC (Spanish National Research Council (CSIC))|2024. 10. 02.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materialsMaterials Science인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 산화물 분자빔 에pitaxial과 원자 수소 환원을 통해 도핑되지 않은 원형상 페라이트인 NdNiO₂의 얇은 막에서 최대 11 K의 전이 온도를 가진 초전도성을 보고한다. 초전도성은 본질적인 것으로 제안되나, 노드가 있는 주기적 순서 매개변수로 인해 질서에 의해 억제되거나, 무작위적인 축상 산소 도핑에 의해 유도될 수 있으며, 이는 전통적인 니켈산염 상도표 이해를 도전하고 고온 초전도성의 새로운 길을 제시한다.

ABSTRACT

We report evidence for superconductivity with onset temperatures up to 11 K in thin films of the infinite-layer nickelate parent compound NdNiO$_2$. A combination of oxide molecular-beam epitaxy and atomic hydrogen reduction yields samples with high crystallinity and low residual resistivities, a substantial fraction of which exhibit superconducting transitions. We survey a large series of samples with a variety of techniques, including electrical transport, scanning transmission electron microscopy, x-ray absorption spectroscopy, and resonant inelastic x-ray scattering, to investigate the possible origins of superconductivity. We propose that superconductivity could be intrinsic to the undoped infinite-layer nickelates but suppressed by disorder due to its nodal order parameter, a finding which would necessitate a reconsideration of the nickelate phase diagram. Another possible hypothesis is that the parent materials can be hole doped from randomly dispersed apical oxygen atoms, which would suggest an alternative pathway for achieving superconductivity.

연구 동기 및 목표

• 기존에 금속적이지만 초전도성이 없을 것으로 여겨졌던 무도핑 원형상 NdNiO₂에서의 초전도성 기원을 규명하는 것.
• 이 물질의 복잡한 전자 구조와 합성 과제로 인해, NdNiO₂의 초전도성이 본질적인지 또는 결함이나 도핑에 의해 유도된 것인지 확인하는 것.
• 원형상의 전자 상태 진정한 성격을 규명함으로써 오랫동안 애매시되어 온 니켈산염 상도표의 모순을 해결하는 것.
• 불순물과 국소적 축상 산소 원자가 초전도성의 유도에 미치는 역할을 규명하여, 도핑되지 않은 시스템에서 초전도성이 어떻게 가능해지는지 탐색하는 것.
• 체계적인 전자 및 스펙트로스코픽 특성 분석을 가능하게 하기 위해 고품질, 저저항도 NdNiO₂ 막을 확보하는 신뢰할 수 있는 합성 경로 수립

제안 방법

• 산화물 분자빔 에pitaxial과 현장 내 원자 수소 환원을 조합하여 (001) 방향의 SrTiO₃ 및 (LaAlO₃)₀.₃(Sr₂AlTaO₆)₀.₇ (LSAT) 기질 상에 고품질 에pitaxial NdNiO₂ 얇은 막을 성장시키는 것.
• 전기적 운반 측정을 통해 초전도 전이를 규명하며, 저항도, 자기장 의존성, 펄스 IV 측정을 통해 전류 밀도 및 임계 전류 밀도 평가.
• 원자 스케일에서 결정성, 두께 및 구조적 결함을 평가하기 위해 스캐닝 투과형 전자현미경(STEM)을 활용.
• 현미경적 국소 전자 구조, 산화 상태 및 스핀 진동을 탐사하기 위해 Ni L₃ 에지에서의 X선 흡수 분광법(XAS) 및 공명 불탄성 X선 산란(RIXS) 적용.
• LSAT 기질 간섭 문제를 해결하기 위해 총 전자 수확(Total Electron Yield, TEY) XAS를 사용.
• 전자 구조 모델링 및 희토류 5d 및 Ni 3d 오비탈이 저에너지 물리에 미치는 기여를 평가하기 위해 밀도함수이론(DFT) 계산 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NdNiO₂의 무도핑 원형상에서의 초전도성은 본질적인 것인가, 아니면 합성 중 결함이나 도핑에 의해 유도된 것인가?
• RQ2 특히 축상 산소 원자가 초전도성을 유도하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 초전도성 순서 매개변수의 노드 특성은 불순물이 있는 샘플에서 초전도성 억제에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 NdNiO₂의 전자적 및 자기적 성질이 구프레이트와 얼마나 유사한가, 그리고 어떤 차이점이 다른 쌍결합 메커니즘을 시사하는가?
• RQ5 원형상 NdNiO₂는 초전도성의 진정한 '원형상'으로 간주될 수 있는가, 아니면 희토류 5d 상태에서의 자가도핑으로 이미 도핑된 상태인가?

주요 결과

• LSAT 기질 상에 성장된 NdNiO₂ 얇은 막에서 최대 11 K의 전이 온도를 가진 초전도 전이가 관측되었으며, 최상의 샘플에서는 9.5 K에서 저저항 상태가 관측되었다.
• 초전도 전이가 히스테리시스를 보이며 자기장에 의해 억제되며, 4 K에서 임계 자기장 약 1.5 T를 나타내어 BCS 유사 메커니즘과 일치한다.
• 초전도 전이 온도(Tc,on)와 막의 잔류 저항도(ρres) 사이에 강한 반비례 관계가 발견되어, 불순물이 초전도성을 억제함을 시사한다.
• 공명 불탄성 X선 산란(RIXS) 측정에서 d-파동 유사 순서 매개변수와 일치하는 스핀 진동이 관측되어, 노드가 있는 초전도 갭을 지지한다.
• X선 흡수 분광법(XAS) 및 STEM 분석을 통해 초전도성 막에서 축상 산소 원자가 무작위적으로 분포되어 있음을 확인하여, 홀 도핑의 가능성을 제기한다.
• 밀도함수이론(DFT) 계산을 통해 Nd 5d 및 Ni 3d 오비탈 간의 상호작용이 뚜렷하게 나타나며, 이는 금속적 기저 상태를 형성하고, 비정상적 초전도성 가능성을 제공함을 확인한다.