[论文解读] Effects of Pressure and Doping on Ruddlesden-Popper phases Lan+1NinO3n+1

Mingxin Zhang, Cuiying Pei+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2023

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 6

一句话总结

本研究调查了外部压力和化学掺杂对镧镍氧化物中多晶 Ruddlesden-Popper相（n = 1, 2, 3）的影响。研究发现，在La₃Ni₂O₇中，压力诱导的超导转变温度最高可达86 K，而在压力高达50 GPa下，La₂NiO₄或La₄Ni₃O₁₀中均未观察到超导现象，凸显了n = 2相在高温镍酸盐超导中的独特作用。

ABSTRACT

Recently the discovery of superconductivity with a critical temperature Tc up to 80 K in Ruddlesden-Popper phases Lan+1NinO3n+1 (n = 2) under pressure has garnered considerable attention. Up to now, the superconductivity was only observed in La3Ni2O7 single crystal grown with the optical-image floating zone furnace under oxygen pressure. It remains to be understood the effect of chemical doping on superconducting La3Ni2O7 as well as other Ruddlesden-Popper phases. Here, we systematically investigate the effect of external pressure and chemical doping on polycrystalline Ruddlesden-Popper phases. Our results demonstrate the application of pressure and doping effectively tunes the transport properties of Ruddlesden-Popper phases. We find pressure-induced superconductivity up to 86 K in La3Ni2O7 polycrystalline sample, while no signatures of superconductivity are observed in La2NiO4 and La4Ni3O10 systems under high pressure up to 50 GPa. Our study sheds light on the exploration of high-Tc superconductivity in nickelates.

研究动机与目标

• 系统研究外部压力和化学掺杂对镧镍氧化物多晶Ruddlesden-Popper相的影响。
• 确定在高压下是否可在n = 1和n = 3相中诱导出超导性，类似于先前报道的n = 2相La₃Ni₂O₇中的超导现象。
• 探讨通过压力和掺杂实现结构与电子结构调制在稳定镍酸盐体系中高温超导态中的作用。
• 通过比较Ruddlesden-Popper系列中不同n值的特性，为镍酸盐中高温超导起源提供见解。

提出的方法

• 采用固相反应法合成n = 1、2和3的Laₙ₊₁NiₙO₃ₙ₊₁多晶样品。
• 利用立方砧压机施加高达50 GPa的静水压，以探测压力依赖的输运性质。
• 在不同压力和温度条件下测量电阻率和磁化率，以检测超导转变行为。
• 利用X射线衍射确认多晶样品的相纯度和结构完整性。
• 比较不同n值下的超导行为，以识别有利于超导性的结构或电子因素。
• 通过电阻率和磁化率数据，分析压力诱导的载流子浓度和电子关联性的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高压静水压下，是否可在多晶La₂NiO₄和La₄Ni₃O₁₀中诱导出超导性，类似于n = 2相？
• RQ2 在使用多晶样品而非单晶时，La₃Ni₂O₇在压力下可实现的最高临界温度Tc是多少？
• RQ3 化学掺杂如何影响Ruddlesden-Popper型镧镍氧化物中相的超导转变温度？
• RQ4 与其它n值相比，n = 2相为何在压力下能独特地承载高温超导性？其结构或电子因素是什么？

主要发现

• 在多晶La₃Ni₂O₇中观察到压力诱导的超导性，其临界温度Tc最高可达86 K，超过先前在单晶中报道的结果。
• 在高达50 GPa的压力下，La₂NiO₄或La₄Ni₃O₁₀中均未检测到超导转变，表明n = 2相在超导性方面具有独特优势。
• La₃Ni₂O₇在压力下的超导转变在多晶形态中表现出强鲁棒性和可重复性，证实了压力在稳定超导态中的作用。
• 在高压下，n = 1和n = 3相中均未出现超导性，表明n = 2相特有的层状结构和电子结构对高温超导性至关重要。
• 结果证实，所研究系列中唯一在压力下表现出超导性的成员是n = 2 Ruddlesden-Popper相，凸显其独特的电子性质。
• 本研究证明，外部压力是诱导镍酸盐体系中实现超导性的强大调控参数，尤其在n = 2相中效果显著。