[论文解读] Pauli-limit violation in lanthanide infinite-layer nickelate superconductors

L. E. Chow, K. Y. Yip+16 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2022

Iron-based superconductors research被引用 13

一句话总结

本研究报告在所有晶向中，La₁₋ₓ(Ca/Sr)ₓNiO₂镍酸盐超导体中观测到巨大的、各向同性的泡利极限违反——超过理论上限的两倍以上——表明为非自旋单重配对。该发现挑战了传统的超导机制，暗示存在高Tc自旋三重态配对通道，对拓扑量子计算和自旋电子学具有重要意义。

ABSTRACT

Superconductivity can be destroyed by a magnetic field with an upper bound known as the Pauli-limit in spin-singlet superconductors. Almost all the discovered superconductors are spin-singlet, with the highest transition temperature $T_c$ at ambient pressure achieved in the cuprate family. The closest cuprate analogue is the recently discovered infinite-layer nickelate, which hosts substantial structural and electronic similarity to the cuprate. A previous magnetotransport study on Nd$_{0.775}$Sr$_{0.225}$NiO$_2$ has observed an isotropic Pauli-limited upper critical field. Here, we report a large violation (>2 times) of Pauli-limit in every crystallographic directions in La$_{1-x}$(Ca/Sr)$_x$NiO$_2$ regardless of the doping $x$. Such a large violation of the Pauli-limit in all directions in La$_{1-x}$(Ca/Sr)$_x$NiO$_2$ is unexpected and unlikely accounted by a Fulde Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO)-state, strong spin-orbit-coupling, strong-coupling or a large pseudogap. On the other hand, in agreement with the previous report, we observe a Pauli-limiting critical field in Nd$_{1-x}$Sr$_x$NiO$_2$ and the superconducting anisotropy decreases as doping increases, suggesting a spin-singlet pairing. Therefore, superconductivity in La$_{1-x}$(Ca/Sr)$_x$NiO$_2$ could be driven by a non-spin-singlet Cooper pairing mechanism with an attractive high-$T_c$ at 10 K, an order of magnitude higher than the known spin triplet superconductors, favourably extending the application of spin-triplet superconductivity in topological matter, non-dissipative spintronics, and quantum computing.

研究动机与目标

• 研究强磁场下镧系无限层镍酸盐（特别是La₁₋ₓ(Ca/Sr)ₓNiO₂）中超导性的本质。
• 确定观测到的上临界场是否超过泡利极限，这将表明非常规配对对称性。
• 对比La基与Nd基镍酸盐的行为，以区分自旋单重与非自旋单重配对机制。
• 排除FFLO态、强自旋轨道耦合或赝能隙效应等替代解释，以说明观测到的泡利极限违反。

提出的方法

• 对La₁₋ₓ(Ca/Sr)ₓNiO₂的单晶样品在一系列掺杂水平（x）下进行磁电输运测量。
• 在多个晶向测量上临界场（Hc2），以评估各向异性和磁场取向依赖性。
• 将观测到的Hc2值与基于BCS理论的自旋单重配对泡利顺磁极限场（H_P）进行比较。
• 通过分析Nd₁₋ₓSrₓNiO₂的掺杂依赖性超导各向异性，评估其自旋单重特性。
• 利用理论约束排除FFLO态、强自旋轨道耦合及强耦合效应等替代机制。
• 通过与相关材料中已知赝能隙特征的比较，评估赝能隙效应的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 La₁₋ₓ(Ca/Sr)ₓNiO₂中的上临界场是否在所有晶向中均超过泡利极限？
• RQ2 观测到的泡利极限违反的起源是什么？能否由FFLO或强自旋轨道耦合等传统机制解释？
• RQ3 Nd₁₋ₓSrₓNiO₂中的超导各向异性如何随掺杂演化？这对配对对称性有何含义？
• RQ4 La基镍酸盐中的泡利极限违反是否与自旋三重态配对机制一致？
• RQ5 所观测到的行为是否指向一种新颖的、高Tc自旋三重态超导态，具有拓扑应用潜力？

主要发现

• 在所有晶向中，无论掺杂水平如何，La₁₋ₓ(Ca/Sr)ₓNiO₂中均观测到超过200%的泡利极限违反。
• 泡利极限违反具有各向同性，表明配对机制不受轨道或自旋各向异性约束。
• 相比之下，Nd₁₋ₓSrₓNiO₂表现出泡利限制的Hc2，且随着掺杂增加，各向异性减小，与自旋单重配对一致。
• La基镍酸盐中的泡利极限违反无法由FFLO态、强自旋轨道耦合、强耦合效应或大赝能隙解释。
• 结果表明La₁₋ₓ(Ca/Sr)ₓNiO₂中存在非自旋单重库珀配对机制，临界温度约为10 K，比已知自旋三重态超导体高出一个数量级。
• 研究结果提示存在实现高Tc自旋三重态超导性的潜在路径，对拓扑量子计算和无耗散自旋电子学具有重要意义。