[논문 리뷰] Emergence of high-temperature superconducting phase in the pressurized La3Ni2O7 crystals

Jun Hou, Pengtao Yang외 13명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 19.

Electronic and Structural Properties of Oxides인용 수 27

한 줄 요약

La3Ni2O7 결정에서의 고압 하 저항 측정은 고온에서의 초전도 유사 전이의 징후를 보이며, 압력으로 유도된 초전도 상에 대한 보고와 일치한다.

ABSTRACT

The recent report of pressure-induced structure transition and signature of superconductivity with Tc = 80 K above 14 GPa in the La3Ni2O7 crystals has garnered considerable attention. To further elaborate this discovery, we carried out comprehensive resistance measurements on the La3Ni2O7 crystals grown with the optical-image floating zone furnace under oxygen pressure (15 bar) by using the diamond anvil cell (DAC) and cubic anvil cell (CAC), which employs the solid and liquid pressure transmitting medium, respectively. For the sample #1 measured in DAC, it exhibits a semiconducting-like behavior with large resistance at low pressures and becomes metallic gradually upon compression. At the pressures P >= 13.7 GPa, we observed the appearance of resistance drop as large as ~50% around 70 K, which evolves into a kink-like anomaly at pressures above 40 GPa and shifts to lower temperatures gradually with increasing magnetic field. These observations are consistent with the recent report mentioned above. On the other hand, the sample #2 measured in CAC retains the metallic behavior in the investigated pressure range up to 15 GPa. The hump-like anomaly in resistance around ~130 K at ambient pressure disappears at P >= 2 GPa. In the pressure range from 11 to 15 GPa, we observed the gradual development of a shoulder-like anomaly in resistance at low temperatures, which evolves into a pronounced drop of resistance by 98% below 62 K at 15 GPa, reaching a temperature-independent resistance of 20 uOhm below 20 K. Similarly, this resistance anomaly can be shifted to lower temperatures progressively by applying external magnetic fields, resembling a typical superconducting transition.

연구 동기 및 목표

• 제어된 산소 분압 하에서 성장된 La3Ni2O7 결정에서 압력에 의해 유도된 전자적 및 잠재적 초전도 상을 조사한다.
• 다이아몬드 캔닐 셀(DAC) 및 큐빅 앤빌 셀(CAC) 압력에서 약 15–40+ GPa까지 저항의 거동을 특성화한다.
• 저항 이상과 자기장을 상관분석하여 초전도성의 징후를 식별한다.
• 상이한 가압 매질과 측정 설정으로 준비된 두 샘플을 비교하여 고 Tc 유사 거동의 재현성을 평가한다.

제안 방법

• 15 bar O2 하에서 광학 이미지 플로팅 존로 furnace를 사용하여 La3Ni2O7 결정 합성.
• 고압 저항 측정은 고체 압력 매질이 있는 다이아몬드 애닐 셀(DAC)과 액체 매질이 있는 큐빅 애닐 셀(CAC)을 사용하여 수행한다.
• 저항을 압력, 온도 및 자기장에 대해 14–40+ GPa까지 모니터링한다.
• 저항 하강, 커크(kink)와 같은 이상, 어깨 모양 특징을 상전이의 지표로 식별한다.
• DAC와 CAC에서의 샘플 거동을 비교하여 압력 전달 매질의 효과를 분리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 La3Ni2O7가 고압 하에서 초전도 유사 전이를 보이는가, 어느 온도와 압력에서 발생하는가?
• RQ2 압력 전달 매질(고체 vs 액체)은 La3Ni2O7의 전자 전이에 어떤 영향을 주는가?
• RQ3 자기장 의존성과 주어진 저항 특징이 초전도성에 부합하는가?
• RQ4 두 샘플 및 다양한 실험 설정에서 고 Tc 유사 징후의 재현성은 어느 정도인가?

주요 결과

• 샘플 #1 (DAC)은 낮은 압력에서 반도체와 유사한 저항을 보이다가 압력에 따라 금속으로 전환하며; 약 70 K 근처에서 P ≥ 13.7 GPa에서 약 50%의 저항 하강이 나타나고 40 GPa 이상에서 자기장 의존적 이동과 함께 꺾임으로 진화한다.
• 샘플 #2 (CAC)는 15 GPa까지 금속 상태를 유지한다; 상온에서 약 130 K의 혹은 그림자 형태의 봉우리는 P >= 2 GPa에서 소멸한다; 저온에서 어깨 모양 특징은 11–15 GPa 사이에 나타나 15 GPa에서 62 K 이하에서 98% 감소의 뚜렷한 저하로 진화하고, 20 K 이하에서 저항이 20 μΩ으로 포화된다; 자기장으로 인한 이동은 초전도 전이와 유사하게 보인다.
• 샘플 #2의 저온 저항 하강은 고압에서 발생하며 자기장 의존성은 초전도성 유사 거동과 일치하여 La3Ni2O7에서의 압력에 의한 초전도성에 대한 이전 보고와 일치한다.
• 두 샘플과 설정은 기본 거동이 다르게 나타지만(반도체에서 금속으로 변하는 vs 처음부터 금속), 두 경우 모두 저항 특징이 압력에 따라 이동하며 초전도성 징후와 호환된다.
• 전반적으로 본 연구는 La3Ni2O7 결정에서 압력 유도 고온 초전도상 신호를 뒷받침하며, 이전 보고와 일치한다.