[论文解读] Emergence of high-temperature superconducting phase in the pressurized La3Ni2O7 crystals

Jun Hou, Pengtao Yang+13 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2023

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用 27

一句话总结

在 La3Ni2O7 晶体的高压下进行的电阻测量揭示在高温下出现类超导转变的特征，与压力诱导的超导相报告一致。

ABSTRACT

The recent report of pressure-induced structure transition and signature of superconductivity with Tc = 80 K above 14 GPa in the La3Ni2O7 crystals has garnered considerable attention. To further elaborate this discovery, we carried out comprehensive resistance measurements on the La3Ni2O7 crystals grown with the optical-image floating zone furnace under oxygen pressure (15 bar) by using the diamond anvil cell (DAC) and cubic anvil cell (CAC), which employs the solid and liquid pressure transmitting medium, respectively. For the sample #1 measured in DAC, it exhibits a semiconducting-like behavior with large resistance at low pressures and becomes metallic gradually upon compression. At the pressures P >= 13.7 GPa, we observed the appearance of resistance drop as large as ~50% around 70 K, which evolves into a kink-like anomaly at pressures above 40 GPa and shifts to lower temperatures gradually with increasing magnetic field. These observations are consistent with the recent report mentioned above. On the other hand, the sample #2 measured in CAC retains the metallic behavior in the investigated pressure range up to 15 GPa. The hump-like anomaly in resistance around ~130 K at ambient pressure disappears at P >= 2 GPa. In the pressure range from 11 to 15 GPa, we observed the gradual development of a shoulder-like anomaly in resistance at low temperatures, which evolves into a pronounced drop of resistance by 98% below 62 K at 15 GPa, reaching a temperature-independent resistance of 20 uOhm below 20 K. Similarly, this resistance anomaly can be shifted to lower temperatures progressively by applying external magnetic fields, resembling a typical superconducting transition.

研究动机与目标

• 在受控氧压条件下生长的 La3Ni2O7 晶体中，研究压力诱导的电子性质及潜在的超导相。
• 表征在金刚石对顶砧 DAC 和立方砧 CAC 压力下，电阻在 ~15–40+ GPa 范围内的行为。
• 将电阻异常与磁场相关联，以识别超导性迹象。
• 比较两种使用不同加压介质和测量设置制备的样品，以评估高-Tc 类行为的重复性。

提出的方法

• 在 15 bar O2 条件下，使用光学图像浮区炉合成 La3Ni2O7 晶体。
• 使用金刚石对顶砧 (DAC) 搭配固体介质，以及立方砧 (CAC) 搭配液体介质，进行高压电阻测量。
• 监测电阻随压力、温度和磁场变化，在 14–40+ GPa 范围内。
• 将电阻下降、拐点样异常和肩部状特征识别为相变指示。
• 比较样品在 DAC 与 CAC 下的行为，以隔离压力传递介质的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 La3Ni2O7 在高压下是否出现类超导转变，以及在何种温度和压力下发生？
• RQ2 压力传递介质（固体 vs 液体）如何影响 La3Ni2O7 的观测到的电子转变？
• RQ3 在磁场依赖性的前提下，观测到的电阻特征是否与超导性一致？
• RQ4 在不同晶体样品和实验设置中，高-Tc 类迹象的可重复性如何？

主要发现

• 样品 #1（DAC）在低压下表现出半导体样电阻，随着压力增大转变为金属；在 P ≥ 13.7 GPa 时，接近 70 K 的电阻下降约 50%，随后在 40 GPa 以上演变为具有场依赖移位的拐点。
• 样品 #2（CAC）在高达 15 GPa 时仍为金属；在常压下约 130 K 的峰在 P ≥ 2 GPa 时消失；在 11–15 GPa 间出现低温肩状特征，并在 15 GPa 时演变成在 62 K 以下显著下降 98%，电阻在 20 K 以下趋于饱和至 20 μΩ；磁场引起的移位类似于超导转变。
• 在样品 #2 中观察到的低温电阻下降发生在高压下，且对磁场的依赖性与类超导行为一致，与先前关于 La3Ni2O7 的压力诱导超导性报道一致。
• 这两种样品和装置显示出不同的基线行为（从半导体到金属的转变 vs 全部为金属），但两者都表现出随压力变化的电阻特征，与超导性迹象的表现方式相符。
• 总体而言，该研究证实了 La3Ni2O7 晶体中压力诱导的高温超导相迹象，与之前的报道一致。