[論文レビュー] Superconductivity in infinite-layer lanthanide nickelates

Shengwei Zeng, Changjian Li+9 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2021

Iron-based superconductors research参考文献 27被引用数 25

ひとこと要約

本研究では、無限層構造のカルシウムドーピングCa-doped LaNiO2薄膜における超伝導性が報告されており、0.15 < x < 0.3 の範囲で超伝導ドームを示し、未ドーピングおよびアンダードーピング領域では絶縁体的挙動を示す。ネオジミウムおよびプロミスを基にしたニッケレートとは異なり、ドーピングレベルにかかわらず約35 Kでホール係数の符号反転が観察され、格子相関に影響を受ける特徴的な多バンド構造であることが示唆される。

ABSTRACT

The origin of high-Tc superconductivity remains an enigma even though tremendous research effort and progress have been made on cuprate and iron pnictide superconductors. Aiming to mimic the cuprate-like electronic configuration of transition metal, superconductivity has been recently found in nickelates. This discovery hallmarks a new era in the search and understanding of the high-Tc superconductivity. However, unlike the cuprate and iron pnictide, in which the superconductivity was initially found in a compound containing La, the superconductivity in the nickelate has only been observed in Nd- and Pr-based compounds. This raises a central question of whether the f electron of the rare-earth element is critical for superconductivity in the nickelates. Here, we report the observation of superconductivity in infinite-layer Ca-doped LaNiO2 (La1-xCaxNiO2) thin films and construct their phase diagram. Unlike the metal-insulator transition in Nd- and Pr-based nickelates, the undoped and underdoped La1-xCaxNiO2 thin films are entirely insulating from 300 down to 2 K. A superconducting dome is observed from 0.15<x<0.3 with weakly insulating behavior at the overdoped regime. Moreover, the sign of the Hall coefficient RH changes at low temperature for samples with a higher doping level. However, distinct from the Nd- and Pr-based nickelates, the RH-sign-change temperature remains around 35 K as the doping increases, suggesting a different multiband structure in the La1-xCaxNiO2. These results also emphasize the significant role of lattice correlation on the multiband structures of the infinite-layer nickelates.

研究の動機と目的

• ネオジミウムおよびプロミスを基にした系を超える、無限層ランタニドニッケレートにおける超伝導性の出現を調査すること。
• 希土類元素に存在するf電子がニッケレートにおける超伝導性に不可欠であるかどうかを特定すること。
• Ca-doped LaNiO2薄膜の相図を構築し、その電子的相転移を理解すること。
• 格子相関がこれらの材料の多バンド電子構造をどのように形作っているかを検討すること。

提案手法

• 精密なドーピング制御を実現するため、脈動レーザー蒸着法を用いてエピタキシャル薄膜 La1-xCaxNiO2 を合成した。
• 300 K から 2 K まで、抵抗率およびホール係数を含む輸送測定を実施し、電子的挙動を調査した。
• 温度依存の抵抗率およびホール係数データを、Caドーピングレベル（x）の変化に応じて分析することで、相図を構築した。
• ドーピングおよび温度の関数としてホール係数の符号反転を追跡し、キャリアの種別および多バンド寄与を推定した。
• f電子配置の役割を評価するため、ネオジミウムおよびプロミスを基にしたニッケレートと比較分析を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 希土類カチオンがネオジミウムではなくランタニウムの場合、無限層ニッケレートにおける超伝導性が維持されるか？
• RQ2 希土類カチオンにf電子が存在することは、ニッケレートにおける超伝導性に不可欠か？
• RQ3 La1-xCaxNiO2 における多バンド電子構造は、ネオジミウムおよびプロミス系と比較してどのように変化するか？
• RQ4 格子相関は、無限層ニッケレートの電子的性質をどのように形作っているか？
• RQ5 La1-xCaxNiO2 において、異なるドーピングレベルでも一定温度（約35 K）でホール係数の符号反転が観察される理由は何か？

主な発見

• Ca-doped LaNiO2薄膜では、0.15 < x < 0.3 の範囲で超伝導性が観察され、超伝導ドームを示す。
• 未ドーピングおよびアンダードーピングのLa1-xCaxNiO2薄膜は、300 K から 2 K まで絶縁体的挙動を示し、ネオジミウムおよびプロミス系ニッケレートで観察される金属-絶縁体転移とは対照的である。
• すべての高ドーピング領域で約35 K でホール係数の符号反転が観察され、安定した多バンド構造であることが示唆される。
• ホール係数の挙動から、同じドーピングレベルであっても、ネオジミウムおよびプロミス系ニッケレートとは異なる電子構造を示していることが示唆される。
• 格子相関が、無限層ニッケレートにおける多バンド電子構造に影響を与える重要な要因であると特定された。