[论文解读] Unconventional crystal structure of the high-pressure superconductor La$_3$Ni$_2$O$_7$

Pascal Puphal, Pascal Reiss+15 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2023

High-pressure geophysics and materials被引用 12

一句话总结

论文揭示 La3Ni2O7 单晶在高压下呈现单层–三层（ML–TL）交替堆叠，而非先前假定的双层 RP 结构，并将此结构与在压力下观察到的超导性联系起来。

ABSTRACT

The discovery of high-temperature superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$ at pressures above 14 GPa has spurred extensive research efforts. Yet, fundamental aspects of the superconducting phase, including the possibility of a filamentary character, are currently subjects of controversial debates. Conversely, a crystal structure with NiO$_6$ octahedral bilayers stacked along the $c$-axis direction was consistently posited in initial studies on La$_3$Ni$_2$O$_7$. Here we reassess this structure in optical floating zone-grown La$_3$Ni$_2$O$_7$ single crystals that show signs of filamentary superconductivity. Employing scanning transmission electron microscopy and single-crystal x-ray diffraction under high pressures, we observe multiple crystallographic phases in these crystals, with the majority phase exhibiting alternating monolayers and trilayers of NiO$_6$ octahedra, signifying a profound deviation from the previously suggested bilayer structure. Using density functional theory, we disentangle the individual contributions of the monolayer and trilayer structural units to the electronic band structure of La$_3$Ni$_2$O$_7$, providing a firm basis for advanced theoretical modeling and future evaluations of the potential of the monolayer-trilayer structure for hosting superconductivity.

研究动机与目标

• 确定 La3Ni2O7 单晶在高压下的实际晶体结构，并评估与先前提出的双层模型之间的偏差。
• 确定高压下的结构相如何与超导性和传输性质相关联。
• 将结构发现转化为一个连贯的电子结构图景，以指导理论建模。

提出的方法

• 在高氧压条件下使用光学浮区法合成 La3Ni2O7 单晶。
• 使用扫描透射电子显微镜（STEM）解析局部堆叠序列（ML 与 TL 单元）。
• 在压力下进行高分辨单晶 X 射线衍射（XRD），以改进晶胞和对称性。
• 对 ML–TL 堆叠进行密度泛函理论（DFT）计算，以分析带结构和费米面。
• 将高压结构改进与 RP 相堆叠进行比较，并评估键角/距离（包括 Ni–O–Ni 键）。
• 在压力下研究传输性质，以使 Tc 与结构参数及滞后行为相关联。

Figure 1: (a) Pressure and temperature dependence of the electrical resistance of an annealed La 3 Ni 2 O 7 single crystal. Solid lines were measured upon pressure increase, while the dashed line shows the resistance after decompression to 2.6 GPa, indicating hysteretic behavior. The inset shows the

实验结果

研究问题

• RQ1 在高压下 La3Ni2O7 中 NiO6 八面体的实际堆叠序列是什么？
• RQ2 ML–TL 堆叠在结构和电子性质上与常规 RP 双层结构有何不同？
• RQ3 结构跃迁如何与在压力下超导性的出现和演化相关？
• RQ4 ML–TL 相的电子结构与费米面如何呈现，与 RP 镍酸盐相比如何？
• RQ5 观测到的超导性能否与晶体中的丝状行为以及相纯度/混合相的情况相一致？

主要发现

• 在高压下 La3Ni2O7 单晶主要表现为交替的单层与三层 NiO6 八面体堆叠（ML–TL），而非先前假定的双层堆叠。
• STEM 成像显示在所研究区域中存在 ML–TL 有序结构，偶有 TL 富集或 BL 类区域中断；未探测到扩展的纯 BL 堆叠。
• XRD 精修指示在低/中等压力下为正交晶系 Fmmm 结构，约12.3 GPa 以上转变为 tetragonal P4/mmm 对称性；Tc 随压力增加并显示与结构变化相关的滞后。
• ML–TL 相的 DFT 表明在费米能级附近存在多条 Ni 3d 派生带，来自 ML 与 TL 单元的贡献不同，包括几乎纯 d_z^2 派生的费米面特征（epsilon 面）。
• 费米面在 k_z = 0 平面上包含四条分支（alpha、beta、gamma、epsilon）及其重复，轨道与晶胞解耦显示 ML 局部化与 TL 去局部化的贡献。
• 观测到的超导性似乎是丝状的，Tc 以下表现为非欧姆传输，场—电流依赖性提示 ML–TL 势区块内存在非均匀的超导区域。

Figure 2: (a) Sketch of the crystal structure of La 3 Ni 2 O 7 proposed in Ref. 18 , with a sequence of BL units along the $c$ axis direction. The solid black line indicates the $Amam$ unit cell and the vertical black arrow marks the $c$ axis lattice constant. (b) Atomic-resolution STEM-HAADF (left)