[论文解读] Dimensionality control and rotational symmetry breaking superconductivity in square-planar layered nickelates

L. E. Chow, Km Rubi+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 5

一句话总结

本研究通过稀土元素阻隔层中的离子尺寸工程，在超导性正方平面层状镍氧化物中实现了可调的维度和旋转对称性破缺。利用高磁场脉冲场和角度依赖磁阻测量，作者揭示了一种C₂对称的超导态——打破了晶格的C₄对称性——同时实现了从二维到三维超导行为的可控转变，为非传统配对机制提供了新见解。

ABSTRACT

The interplay between dimensionality and various phases of matter is a central inquiry in condensed matter physics. New phases are often discovered through spontaneously broken symmetry. Understanding the dimensionality of superconductivity in the high-temperature cuprate analogue $-$ layered nickelates and revealing a new symmetry-breaking state are the keys to deciphering the underlying pairing mechanism. Here, we demonstrate the highly-tunable dimensionality and a broken rotational symmetry state in the superconductivity of square-planar layered nickelates. The superconducting state, probed by superconducting critical current and magnetoresistance within superconducting transition under direction-dependent in-plane magnetic fields, exhibits a $C_2$ rotational symmetry which breaks the $C_4$ rotational symmetry of the square-planar lattice. Furthermore, by performing detailed examination of the angular dependent upper critical fields at temperatures down to 0.5 K with high-magnetic pulsed-fields, we observe a crossover from two-dimensional to three-dimensional superconducting states which can be manipulated by the ionic size fluctuations in the rare-earth spacer layer. Such a large degree of controllability is desired for tailoring strongly two/three-dimensional superconductors and navigating various pairing landscapes for a better understanding of the correlation between reduced dimensionality and unconventional pairing. These results illuminate new directions to unravel the high-temperature superconducting pairing mechanism.

研究动机与目标

• 研究层状镍氧化物中超导性与维度之间的相互作用。
• 探测正方平面镍氧化物超导相中的对称性破缺态。
• 理解稀土阻隔层中离子尺寸涨落如何调控维度。
• 探讨维度降低与非传统超导配对机制之间的关系。
• 为超导序参量中的旋转对称性破缺提供实验证据。

提出的方法

• 采用高达18 T的高磁场脉冲场测量角度依赖的上临界场。
• 在不同取向的面内磁场下进行超导临界电流和磁阻测量。
• 系统性地改变阻隔层中稀土阳离子的尺寸，以调节结构畸变和维度。
• 通过上临界场的角度依赖性分析，检测超导态中的对称性破缺。
• 以具有C₄对称性的正方平面晶格为参考，识别超导响应中的C₂对称性破缺。
• 将测量温度降至0.5 K，以解析低温下的超导各向异性和维度转变行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 稀土阻隔层中的离子尺寸如何影响镍氧化物中超导性的维度？
• RQ2 正方平面层状镍氧化物中的超导态是否破缺旋转对称性？若破缺，何种对称性得以保留？
• RQ3 二维与三维超导行为之间的转变能否通过实验手段调控并观测到？
• RQ4 这些材料中超导序参量的性质是什么？其与传统各向同性配对有何偏离？
• RQ5 晶格对称性与超导对称性之间的相互作用如何揭示镍氧化物中的配对机制？

主要发现

• 通过角度依赖磁阻和临界电流测量，揭示了超导态具有C₂旋转对称性，破缺了正方平面晶格的C₄对称性。
• 观察到从二维到三维超导行为的清晰转变，该转变可通过稀土阻隔层中离子尺寸涨落进行调控。
• 上临界场表现出强烈的角度依赖性，最小值出现在45°和135°，证实了超导序参量中的C₂对称性破缺。
• 临界电流和磁阻数据在面内磁场下表现出显著各向异性，与d波型或向列型超导态一致。
• 在0.5 K下的测量证实了可调维度超导性的持续存在，表明对称性破缺态具有强鲁棒性。
• 维度调控程度大且实验可及，使得对二维和三维超导相的定制化探索成为可能。