[논문 리뷰] Superconductivity near 80 Kelvin in single crystals of La3Ni2O7 under pressure

Hualei Sun, Mengwu Huo외 11명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 16.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials참고 문헌 46인용 수 12

한 줄 요약

저자들은 La3Ni2O7 단결정에서 고압(14.0–43.5 GPa) 하에 Tc가 최대 ~80 K까지 증가하는 초전도성을 보고하며, 이는 직교정 Fmmm 상과 Ni 3d 오비탈–산소 p 오비탈 상호작용과 연관된다.

ABSTRACT

High-transition-temperature (high-T_c) superconductivity in cuprates has been discovered for more than three decades, but the underlying mechanism remains a mystery. Cuprates are the only unconventional superconducting family that host bulk superconductivity with T_cs above the liquid nitrogen boiling temperature at 77 Kelvin. Here we report an observation of superconductivity in single crystals of La3Ni2O7 with a maximum T_c of 80 Kelvin at pressures between 14.0-43.5 gigapascals using high-pressure resistance and mutual inductive magnetic susceptibility measurements. The superconducting phase under high pressure exhibits an orthorhombic structure of Fmmm space group with the 3d_(x^2-y^2 ) and 3d_(z^2 ) orbitals of Ni cations strongly interacting with oxygen 2p orbitals. Our density functional theory calculations suggest the superconductivity emerges coincidently with the metallization of the σ-bonding bands under the Fermi level, consisting of the 3d_(z^2 ) orbitals with the apical oxygens connecting Ni-O bilayers. Thus, our discoveries not only reveal important clues for the high-T_c superconductivity in this Ruddlesden-Popper double-layered perovskite nickelates but also provide a new family of compounds to investigate the high-T_c superconductivity mechanism.

연구 동기 및 목표

• Cuprates에 유사한 니켈레이트에서 고Tc 초전도성을 탐구하도록 동기를 부여한다.
• 압력 하에서 La3Ni2O7가 벌크 초전도성을 갖출 수 있는지 조사한다.
• 이 니켈레이트에서 초전도성과 함께하는 구조적, 전자적 및 오비탈 조건을 규명한다.
• 층상 니켈레이트에서의 고-Tc 초전도 메커니즘에 대한 시사점을 탐구한다.

제안 방법

• La3Ni2O7 단결정에 대해 고압 저항과 상호유도 자기 감응성을 측정한다.
• 14.0~43.5 GPa 사이에서 Tc 및 그 압력 의존성을 규명한다.
• 초전도 영역에서 결정 구조(orthorhombic Fmmm)를 결정한다.
• 밀도범함수이론(DFT) 계산을 수행하여 시그마-결합 밴드의 금속화와 초전도성과의 연관성을 연결한다.
• Ni 3d (x2−y2, z2) 오비탈이 Ni–O 이중층 전반에 걸친 O 2p 오비탈과의 상호작용을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가해진 압력 하에서 La3Ni2O7 단결정이 벌크 초전도성을 보일 수 있는가?
• RQ2 이 물질에서 초전도성을 동반하는 구조적 상 및 오비탈 구성이 무엇인가?
• RQ3 압력에 따라 Ni 3d–O 2p 상호작용이 어떻게 변하여 초전도성을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 14.0–43.5 GPa의 압력에서 최대 Tc가 80 K인 초전도성이 관찰된다.
• 초전도 위상은 orthorhombic Fmmm 구조를 가진다.
• Ni 양이온은 3d(x2−y2)와 3d(z2) 오비탈이 산소 2p 오비탈과 강한 상호작용을 보인다.
• DFT 계산은 Fermi 레벨에서의 시그마-결합 밴드의 금속화와 관련해 Ni 3d(z2) 오비털과 Ni–O 이중층의 apical 산소를 포함하는 초전도성과의 연결고리를 제시한다.