[논문 리뷰] Unconventional crystal structure of the high-pressure superconductor La$_3$Ni$_2$O$_7$

Pascal Puphal, Pascal Reiss외 15명|arXiv (Cornell University)|2023. 12. 12.

High-pressure geophysics and materials인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 La3Ni2O7 단결정이 고압에서 모노레이어–트라이레이어(ML–TL) 교대 적층을 가지며, 이전에 가정된 이층 RP 구조가 아님을 보여주고 이 구조를 압력 하에서 관측된 초전도성과 연결한다.

ABSTRACT

The discovery of high-temperature superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$ at pressures above 14 GPa has spurred extensive research efforts. Yet, fundamental aspects of the superconducting phase, including the possibility of a filamentary character, are currently subjects of controversial debates. Conversely, a crystal structure with NiO$_6$ octahedral bilayers stacked along the $c$-axis direction was consistently posited in initial studies on La$_3$Ni$_2$O$_7$. Here we reassess this structure in optical floating zone-grown La$_3$Ni$_2$O$_7$ single crystals that show signs of filamentary superconductivity. Employing scanning transmission electron microscopy and single-crystal x-ray diffraction under high pressures, we observe multiple crystallographic phases in these crystals, with the majority phase exhibiting alternating monolayers and trilayers of NiO$_6$ octahedra, signifying a profound deviation from the previously suggested bilayer structure. Using density functional theory, we disentangle the individual contributions of the monolayer and trilayer structural units to the electronic band structure of La$_3$Ni$_2$O$_7$, providing a firm basis for advanced theoretical modeling and future evaluations of the potential of the monolayer-trilayer structure for hosting superconductivity.

연구 동기 및 목표

• 고압 하에서 La3Ni2O7 단결정의 실제 결정구조를 식별하고, 이전에 제안된 이층 모델과의 편차를 평가한다.
• 고압 구조상 상이들이 초전도성 및 수송 특성과 어떻게 상관되는지 규명한다.
• 구조적 발견을 이론적 모델링을 이끄는 일관된 전자구조 그림으로 전환한다.

제안 방법

• 높은 산소 압력에서 광학 플로팅 존법을 사용하여 La3Ni2O7 단결정을 합성한다.
• 스캐닝 전이전자현미경(STEM)을 사용하여 국부적 적층 순서(ML 및 TL 단위)를 해상도 있게 해명한다.
• 압력 하에서 고해상도 단결정 X선 회절(XRD)을 수행하여 단위세포와 대칭성을 정밀하게 다듬는다.
• ML–TL 적층에 대한 밀도범함수 이론(DFT) 계산을 수행하여 밴드구조와 페르미면을 분석한다.
• 고압 구조 정밀해를 RP상 적층과 비교하고 Ni–O–Ni 결합을 포함한 결합각/거리를 평가한다.
• 압력 하의 수송 특성을 조사하여 Tc와 구조 매개변수 및 히스테리시스 거동 간의 상관관계를 확인한다.

Figure 1: (a) Pressure and temperature dependence of the electrical resistance of an annealed La 3 Ni 2 O 7 single crystal. Solid lines were measured upon pressure increase, while the dashed line shows the resistance after decompression to 2.6 GPa, indicating hysteretic behavior. The inset shows the

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NiO6 정육면체의 실제 적층 순서는 고압에서 어떻게 되는가?
• RQ2 ML–TL 적층은 전형적인 RP 이층 구조와 구조적으로나 전자적으로 어떻게 다른가?
• RQ3 구조적 전이와 초전도성의 등장 및 진화는 압력 하에서 어떻게 상관되는가?
• RQ4 ML–TL 상의 전자구조와 페르미면은 RP 니켈산염과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 관찰된 초전도성이 섬유상(필라멘터리) 거동 및 결정의 상 순도/혼합과 일치하는가?

주요 결과

• 고압 하에서 La3Ni2O7 단결정은 모노레이어–트라이레이어(NiO6) 교대 적층(ML–TL)을 우선적으로 보이며, 이전에 가정된 이층 적층 구조(Bi-layer)와는 다르다.
• STEM 이미징은 조사된 영역 전반에 ML–TL 순서를 보여주며, TL-rich 또는 BL 유사 영역으로의 드문드문한 단절이 관찰되나 순수 BL 적층은 확연히 검출되지 않는다.
• XRD 정밀화는 저-중압에서 직교정(orthorhombic) Fmmm 구조를, 약 12.3 GPa 이상에서 사변정(정사방) P4/mmm 대칭으로의 전이를 시사하며 Tc는 압력 증가에 따라 증가하고 구조 변화와 히스테리시스와 상관관계를 보인다.
• ML–TL 상의 DFT는 페르미 준위 근처에 Ni 3d 유도 밴드가 여러 개 있음을 보여주고 ML 및 TL 단위의 기여가 구분되며 거의 순수한 d_z^2 유래 페르미면 피처(epsilon 시트)가 포함된다.
• 페르미면은 kz = 0 면에서 네 개의 시트(alpha, beta, gamma, epsilon) 및 그 이중이 형성되며, 궤도 및 단위세포 분리로부터 ML-국재 기여와 TL-비국재 기여가 구분된다.
• 관찰된 초전도성은 섬유상으로 보이며 Tc 이하에서 비선형 전도와 자기장-전류 의존성으로 인해 ML–TL 벌크 내의 불균일한 초전도 영역을 시사한다.

Figure 2: (a) Sketch of the crystal structure of La 3 Ni 2 O 7 proposed in Ref. 18 , with a sequence of BL units along the $c$ axis direction. The solid black line indicates the $Amam$ unit cell and the vertical black arrow marks the $c$ axis lattice constant. (b) Atomic-resolution STEM-HAADF (left)