[论文解读] Evidence for nodal superconductivity in infinite-layer nickelates

Shannon P. Harvey, Bai Yang Wang+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2022

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 17

一句话总结

本研究在150 mK低温下测量了最优掺杂的无限层镍氧化物（基于La、Pr和Nd）的伦敦穿透深度，发现La和Pr样品表现出与节点型超导性和脏d波配对一致的二次温度依赖性。Nd样品表现出异常行为，归因于磁性杂质，表明其低温物理行为复杂，与简单的能隙或节点模型不一致。

ABSTRACT

Infinite-layer nickelates present a new family of potential unconventional superconductors. A key open question is the superconducting pairing symmetry. We present low-temperature measurements of the London penetration depth in optimally doped La_{0.8}Sr_{0.2}NiO_{2}, Pr_{0.8}Sr_{0.2}NiO_{2}, and Nd_{0.8}Sr_{0.2}NiO_{2}. For La and Pr-nickelates, the superfluid density shows a quadratic temperature dependence, indicating nodal superconductivity in the presence of disorder. Nd-nickelate exhibits complex low-temperature behavior, which we attribute to magnetic impurities. These results are consistent with d-wave pairing.

研究动机与目标

• 确定无限层镍氧化物（一种新型非传统超导体）的配对对称性。
• 研究超导能隙是否具有节点，这是非传统配对的关键特征。
• 通过伦敦穿透深度的温度依赖性，区分s波与d波配对对称性。
• 评估无序和磁性杂质对这些材料中超导性质的影响。
• 确定镍氧化物是否与铜氧化物在配对机制上具有相似性。

提出的方法

• 使用互感法在La0.8Sr0.2NiO2、Pr0.8Sr0.2NiO2和Nd0.8Sr0.2NiO2的薄膜样品中测量伦敦穿透深度λ(T)，温度低至150 mK。
• 利用超流密度ns(T) = n_s(0) × (1 - T/Tc)^2的温度依赖性推断能隙结构。
• 对λ(T)数据应用幂律和指数拟合，以区分具有节点（二次）和无节点（指数）的超导能隙。
• 使用脏极限BCS模型分析数据，其中T** ≈ Tc 表明存在中等程度无序。
• 通过Δns/ns与1/T的阿伦尼乌斯图和双对数图分析标度行为，并检测与预期指数或幂律趋势的偏离。
• 通过对比穿透深度行为与磁化率效应，并检查转变展宽，考虑磁性杂质的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 无限层镍氧化物中的超导能隙是否具有节点，表明非传统配对？
• RQ2 这些材料中的配对对称性是否与铜氧化物中的d_{x²−y²}-波配对一致？
• RQ3 无序和磁性杂质如何影响测得的穿透深度和超流密度？
• RQ4 为何Nd0.8Sr0.2NiO2表现出与标准节点型或能隙超导性不一致的异常低温行为？
• RQ5 超流密度与温度的观测标度行为能否由脏d波机制解释？

主要发现

• La0.8Sr0.2NiO2和Pr0.8Sr0.2NiO2在150 mK以下表现出超流密度的二次温度依赖性，与节点型超导性一致。
• La和Pr样品的数据可良好拟合于脏极限d波BCS模型（公式2），其中T** ≈ Tc，表明存在中等程度无序。
• 超流密度与温度的幂律标度（斜率≈1.7）从接近Tc持续至150 mK，其行为与铜氧化物相似。
• Nd0.8Sr0.2NiO2在1 K以下表现出表观超流密度的平坦化，与指数或幂律标度不一致，表明可能存在磁性杂质效应。
• 对Nd数据的指数拟合得到的最小能隙为0.8kBTc，远低于BCS弱耦合极限的1.76kBTc，表明该行为可能具有非超导起源。
• Nd镍氧化物中宽且不规则的超导转变，结合异常的磁场响应，支持磁性缺陷是其复杂行为的主要原因。