[论文解读] High-temperature superconductivity with zero-resistance and strange metal behavior in La$_{3}$Ni$_{2}$O$_{7-δ}$

Yanan Zhang, Dajun Su+14 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2023

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 42

一句话总结

该研究在高压（≈20–30 GPa）下展示了La3Ni2O7的零电阻超导，同时伴随奇异金属态的正常态，揭示了超导性与奇异金属行为之间的联系。

ABSTRACT

Recently signatures of superconductivity were observed close to 80 K in \LN\ under pressure. This discovery positions \LN\ as the first bulk nickelate with high-temperature superconductivity, but the lack of zero resistance presents a significant drawback for validating the findings. Here we report pressure measurements up to over 30 GPa using a liquid pressure medium and show that single crystals of \LNO\ do exhibit zero resistance. We find that \LNO\ remains metallic under applied pressures, suggesting the absence of a metal-insulator transition proximate to the superconductivity. Analysis of the normal state $T$-linear resistance suggests an intricate link between this strange metal behaviour and superconductivity, whereby at high pressures both the linear resistance coefficient and superconducting transition are slowly suppressed by pressure, while at intermediate pressures both the superconductivity and strange metal behaviour appear disrupted, possibly due to a nearby structural instability. The association between strange metal behaviour and high-temperature superconductivity is very much in line with diverse classes of unconventional superconductors, including the cuprates and Fe-based superconductors. Understanding the superconductivity of \LNO\ evidently requires further revealing the interplay of strange metal behaviour, superconductivity, as well as possible competing electronic or structural phases.

研究动机与目标

• 在静水压强条件下的高压环境中推动在分层镍酸盐中寻找高温超导性。
• 确定 La3Ni2O7 在压力下是否表现出零电阻，并绘制超导转变温度 Tc 的分布/映射。
• 表征正常态电阻率及其线性于温度的行为（奇异金属态）及其与 Tc 的关系。
• 研究压力如何影响超导性、奇异金属行为以及可能的结构/电子相变。
• 将研究结果与铜氧化物超导体和铁基超导体进行比较，以理解非常规配对机制。

提出的方法

• 在活塞-圆筒与金刚石对夹单元中，使用液体压力介质施加高达>30 GPa 的静水压。
• 测量电阻 R(T)，在各压力下识别 Tc 起始和零阻态。
• 用线性温度拟合分析正常态 R(T)，量化奇异金属行为（A′ 系数）。
• 进行磁场依赖的 R(T) 测量，以提取上临界场 Hc2 及其随温度的关系。
• 使用热激活涡流（TAFF）分析提取激活能 U0(H) 及其磁场依赖性。
• 讨论与超导性相关的结构因素和潜在的相变。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高压下的 La3Ni2O7 是否显示零电阻，指示体相超导？
• RQ2 所观察到的奇异金属行为（线性对温度的电阻率）与压力下的超导性之间的关系是什么？
• RQ3 Tc 和奇异金属参数如何随压力演变，结构相在其中起何作用？
• RQ4 是否有证据表明竞争性的电子/结构序列（如 CDW、结构转变）影响超导性？

主要发现

• 在 20.5 GPa 时，La3Ni2O7 在约 40 K 出现零电阻，Tc 起始可达 66 K。
• 在压力下材料保持金属性，没有在接近超导性处出现金属-绝缘体转变。
• 正常态电阻率呈现较长的 T 线性行为，在 Tc 最大值附近最强，A′ 在压力下减小。
• 上临界场外推至约 97 T（20.5 GPa）和 83 T（26.6 GPa）。
• 热激活涡流分析给出 U0(1 T) ≈ 702 K，场依赖性较弱 U0(H) ∝ H^(-0.12)。
• Tc 与 T-线性电阻区域在 20–16 GPa 附近达到峰值，随后随进一步压力下降，提示与结构不稳定性与竞争相的相互作用。