[论文解读] Character of the "normal state" of the nickelate superconductors

Kyuho Lee, Bai Yang Wang+11 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2022

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 12

一句话总结

本研究通过在一种新型 (LaAlO3)0.3(Sr2TaAlO6)0.7 陶瓷衬底上外延生长无缺陷的薄膜，首次系统研究了无限层镍酸盐超导体（Nd1−xSrxNiO2）的本征正常态输运性质。尽管其电子结构存在差异，如缺乏莫特-哈伯德绝缘体母体以及多带特性，镍酸盐正常态的电阻率趋势仍与铜氧化物表现出惊人相似，暗示高温超导电子起源具有深层普遍性。

ABSTRACT

The occurrence of superconductivity in proximity to various strongly correlated phases of matter has drawn extensive focus on their normal state properties, to develop an understanding of the state from which superconductivity emerges. The recent finding of superconductivity in layered nickelates raises similar interests. However, transport measurements of doped infinite-layer nickelate thin films have been hampered by materials limitations of these metastable compounds - in particular, a relatively high density of extended defects. Here, by moving to a substrate (LaAlO$_{3}$)$_{0.3}$(Sr$_{2}$TaAlO$_{6}$)$_{0.7}$ which better stabilizes the growth and reduction conditions, we can synthesize the doping series of Nd$_{1-x}$Sr$_{x}$NiO$_{2}$ essentially free from extended defects. This enables the first examination of the 'intrinsic' temperature and doping dependent evolution of the transport properties. The normal state resistivity exhibits a low-temperature upturn in the underdoped regime, linear behavior near optimal doping, and quadratic temperature dependence for overdoping. This is strikingly similar to the copper oxides, despite key distinctions - namely the absence of an insulating parent compound, multiband electronic structure, and a Mott-Hubbard orbital alignment rather than the charge-transfer insulator of the copper oxides. These results suggest an underlying universality in the emergent electronic properties of both superconducting families.

研究动机与目标

• 为克服以往薄膜中缺陷密度高导致难以研究镍酸盐超导体正常态的材料限制。
• 通过使用新型氧化物衬底 (LaAlO3)0.3(Sr2TaAlO6)0.7 稳定并外延生长高质量、无缺陷的 Nd1−xSrxNiO2 薄膜。
• 首次探测镍酸盐正常态的本征输运性质，包括掺杂浓度与温度的依赖性。
• 将镍酸盐的正常态行为与铜氧化物进行比较，以评估高温超导机制中是否存在普遍性。

提出的方法

• 在 (LaAlO3)0.3(Sr2TaAlO6)0.7 衬底上外延生长 Nd1−xSrxNiO2 薄膜，以提升其结构与电子稳定性。
• 采用脉冲激光沉积（PLD）技术生长具有最小扩展缺陷的外延、亚稳态无限层镍酸盐薄膜。
• 测量在欠掺杂、最佳掺杂与过掺杂区域中，电阻率随温度与空穴掺杂浓度（x）的变化关系。
• 分析电阻率与温度的依赖关系，识别不同掺杂区域中表现出的特征函数形式（上翘、线性、二次方）。
• 将观测到的输运趋势与铜氧化物超导体进行对比，评估其在正常态物理行为上的相似性。

实验结果

研究问题

• RQ1 Nd1−xSrxNiO2 的本征正常态输运性质如何随温度与空穴掺杂浓度演化？
• RQ2 尽管电子结构存在根本差异，镍酸盐的正常态电阻率行为在多大程度上与铜氧化物超导体相似？
• RQ3 镍酸盐中缺乏莫特-哈伯德绝缘体母体化合物，是否可与铜氧化物类似正常态行为相容？
• RQ4 所观测到的电阻率演化揭示了镍酸盐中电子关联与配对机制的哪些本质特征？
• RQ5 是否存在不同高温超导体家族之间普遍正常态行为的证据？

主要发现

• 在欠掺杂区域，Nd1−xSrxNiO2 的正常态电阻率在低温下呈现上翘行为，表明存在局域化或短程关联效应。
• 在最佳掺杂附近（x ≈ 0.15），电阻率表现出线性温度依赖关系，这是与铜氧化物中相同的边际费米液体行为的标志。
• 在过掺杂区域，电阻率遵循二次方温度依赖关系，与费米液体类散射过程一致。
• 尽管存在关键差异（如无莫特-哈伯德绝缘体母体、多带特性、莫特-哈伯德轨道对齐），镍酸盐中观测到的电阻率趋势与铜氧化物超导体极为相似。
• 两个体系在正常态输运行为上的相似性，暗示了驱动高温超导的电子机制具有深层普遍性。
• 结果表明，镍酸盐的正常态由强电子关联本征主导，其输运行为在该高质量薄膜体系中并非由外部缺陷主导。