[论文解读] Identification of the superconductivity in bilayer nickelate La$_3$Ni$_2$O$_7$ upon 100 GPa

Jing Li, Peng, Di+15 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2024

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 5

一句话总结

该研究在高压下在 La3Ni2O7 中证实 bulk 超导，Tc 起始温度在 83 K 于 18 GPa，结构转变在约 40 GPa，Meissner 证据持续至 80 GPa，包括在 22 GPa 时最高的 62.7% 的超导体积分数。

ABSTRACT

Identification of superconductivity in the Ruddlesden-Popper phases of nickelates under high pressure remains challenging. Here, we report a comprehensive study of the crystal structure, resistance, and Meissner effect in single crystals of La$_3$Ni$_2$O$_7$ with hydrostatic pressures up to 104 GPa. X-ray diffraction measurements reveal a structural transition from the orthorhombic to a tetragonal phase above 40 GPa. Zero resistance of the superconductivity was achieved with a maximum onset $T_c^{onset}$ of 83 K at 18.0 GPa. Superconductivity is gradually suppressed until it disappears above 80 GPa, resulting in a right-triangle-like superconducting region. The direct-current magnetic susceptibility technique successfully detected the Meissner effect in La$_3$Ni$_2$O$_7$ under pressure; the maximum superconducting volume fraction is estimated to be 62.7% at 22.0 GPa. Thus, we demonstrate the bulk nature of superconductivity in the bilayer nickelate La$_3$Ni$_2$O$_7$ single crystals under high pressure. The results reveal intimate connections among the superconductivity, oxygen content, and structure in La$_3$Ni$_2$O$_7$.

研究动机与目标

• 在极端压力下推动研究 Ruddlesden-Popper 镍酸盐的超导性。
• 表征晶体结构、电阻和磁响应在高压（高达约104 GPa）下的演变。
• 确立 La$_3$Ni$_2$O$_7$ 超导性的体相性质及其与氧含量和结构变化之间的关系。
• 量化在压力下超导相的范围和体积分数。

提出的方法

• 进行 X 射线衍射以跟踪高压下的晶体结构相，直到 104 GPa。
• 测量电阻以识别超导性的零电阻起始。
• 使用直流磁化率检测迈斯纳效应并估计超导体积分数。
• 在静水压下研究 La$_3$Ni$_2$O$_7$ 的单晶以关联结构、传输和磁性。
• 确定 Tc 起始的压力依赖性以及超导性持续存在的压力范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 La$_3$Ni$_2$O$_7$ 是否在高压下直到约 100 GPa 出现超导性？
• RQ2 Tc 起始温度作为压力的函数是如何，以及它如何随结构变化而演化？
• RQ3 所观测到的超导性是否为体相特性，如通过迈斯纳效应和体积分数测量所证实？
• RQ4 在压力下超导性、氧含量和晶体结构之间是如何相互关联的？
• RQ5 在何压力区间存在超导性，以及在高压下如何消失？

主要发现

• 观测到零电阻超导性，Tc 起始为 83 K，在 18.0 GPa。
• 超导性逐渐消失并在 80 GPa 以上消失，勾勒出一个类似直角三角形的超导区域。
• 直流磁化率检测到迈斯纳效应，且在 22.0 GPa 时超导体积分数最大为 62.7%。
• X 射线衍射显示在 40 GPa 以上发生正交晶系到四方晶系的结构转变。
• 结果表明在高压下 La$_3$Ni$_2$O$_7$ 存在体相超导性，并揭示超导性、氧含量与结构之间的联系。