[論文レビュー] Dimensionality control and rotational symmetry breaking superconductivity in square-planar layered nickelates

L. E. Chow, Km Rubi+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、希土類元素のストッパー層におけるイオン半径の調整を用いて、超伝導性の正方平面積層ニッケレートにおける次元性の可変性および回転対称性の破れを実証した。高磁場パルス場および角度依存磁気抵抗を用いて、格子のC₄対称性を破るC₂対称性の超伝導状態を明らかにした。さらに、2次元から3次元への超伝導的挙動の制御可能な遷移も観測され、非単純なペアリングメカニズムに関する新たな知見が得られた。

ABSTRACT

The interplay between dimensionality and various phases of matter is a central inquiry in condensed matter physics. New phases are often discovered through spontaneously broken symmetry. Understanding the dimensionality of superconductivity in the high-temperature cuprate analogue $-$ layered nickelates and revealing a new symmetry-breaking state are the keys to deciphering the underlying pairing mechanism. Here, we demonstrate the highly-tunable dimensionality and a broken rotational symmetry state in the superconductivity of square-planar layered nickelates. The superconducting state, probed by superconducting critical current and magnetoresistance within superconducting transition under direction-dependent in-plane magnetic fields, exhibits a $C_2$ rotational symmetry which breaks the $C_4$ rotational symmetry of the square-planar lattice. Furthermore, by performing detailed examination of the angular dependent upper critical fields at temperatures down to 0.5 K with high-magnetic pulsed-fields, we observe a crossover from two-dimensional to three-dimensional superconducting states which can be manipulated by the ionic size fluctuations in the rare-earth spacer layer. Such a large degree of controllability is desired for tailoring strongly two/three-dimensional superconductors and navigating various pairing landscapes for a better understanding of the correlation between reduced dimensionality and unconventional pairing. These results illuminate new directions to unravel the high-temperature superconducting pairing mechanism.

研究の動機と目的

• 層状ニッケレートにおける次元性と超伝導性の相関を調査すること。
• 正方平面ニッケレートの超伝導相における対称性の破れ状態を解明すること。
• 希土類元素ストッパー層におけるイオン半径の揺らぎが次元性をどのように制御するかを理解すること。
• 次元性の低下と非単純な超伝導ペアリングの関係を明らかにすること。
• 超伝導秩序パラメータにおける回転対称性の破れを実験的に裏付ける証拠を提供すること。

提案手法

• 最大18 Tの高磁場パルス場を用いて、角度依存上臨界磁場を測定した。
• 磁場の方向を変化させた面内磁場下で、超伝導臨界電流および磁気抵抗測定を実施した。
• ストッパー層における希土類カチオンのサイズを系統的に変化させ、構造的歪みと次元性を調整した。
• 上臨界磁場の角度依存性を分析し、超伝導状態における対称性の破れを検出した。
• C₄対称性を持つ正方平面格子を基準として、超伝導応答におけるC₂対称性の破れを特定した。
• 0.5 Kまで測定を低下させ、低温における超伝導的異方性および遷移挙動を解明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 希土類元素のストッパー層におけるイオン半径は、ニッケレートの超伝導的次元性にどのように影響するか？
• RQ2 正方平面積層ニッケレートの超伝導状態は回転対称性を破るのか。もしそうならば、どの対称性が保存されるか？
• RQ3 2次元と3次元の超伝導的挙動の遷移を実験的に制御し、観測できるか？
• RQ4 これらの材料における超伝導秩序パラメータの性質は何か。また、単純な等方的ペアリングからどのように逸脱するか？
• RQ5 格子対称性と超伝導対称性の相乗作用は、ニッケレートにおけるペアリングメカニズムにどのように寄与するか？

主な発見

• 角度依存磁気抵抗および臨界電流測定により、正方平面格子のC₄対称性を破るC₂回転対称性の超伝導状態が明らかになった。
• イオン半径の揺らぎによる希土類ストッパー層の調整により、2次元から3次元への超伝導的挙動の明確な遷移が観測された。
• 上臨界磁場は強い角度依存性を示し、45°および135°で最小値を示す。これは、超伝導秩序パラメータにおけるC₂対称性の破れを確認するものである。
• 面内磁場下における超伝導臨界電流および磁気抵抗データは、d波的またはネューメリックな超伝導状態に類似した顕著な異方性を示している。
• 0.5 Kでの測定により、次元性を制御可能な超伝導性が持続していることが確認され、対称性の破れた状態の強靭性が示された。
• 次元性の制御度は大きく、実験的にアクセス可能であり、2次元および3次元超伝導相のターゲット指向的探索が可能である。