[论文解读] Pairing symmetry in infinite-layer nickelate superconductor

L. E. Chow, S. Kunniniyil Sudheesh+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 17

一句话总结

本研究通过在高质量 (Nd,Sr)NiO₂ 和 (La,Ca)NiO₂ 薄膜上进行伦敦穿透深度测量，确定了无限层镍酸盐超导体中的配对对称性。结果揭示了钕基镍酸盐中无节点的 (d+is)-波序参量，与镧系元素基体系中的脏线节点行为形成对比，挑战了传统的 d 波范式，表明其配对机制可能比简单的 d 波对称性更为复杂。

ABSTRACT

The superconducting infinite-layer nickelate family has risen as a promising platform for revealing the mechanism of high-temperature superconductivity. However, its challenging material synthesis has obscured effort in understanding the nature of its ground state and low-lying excitations, which is a prerequisite for identifying the origin of the Cooper pairing in high-temperature superconductors. In particular, the superconducting gap symmetry of nickelates has hardly been investigated and remains controversial. Here, we report the pairing symmetry of the infinite-layer nickelates determined by London penetration depth measurements in neodymium-based (Nd,Sr)NiO$_2$ and lanthanide-based (La,Ca)NiO$_2$ thin films of high crystallinity. A rare-earth-specific order parameter is observed. While the lanthanide nickelates follow dirty line-node behaviour, the neodymium-counterpart exhibits nodeless order parameters such as the $(d+is)$ wave. In contrast to the cuprates, our results suggest that the superconducting order parameter in nickelates is beyond a single $d_(x^2-y^2 )$-wave gap. Furthermore, the superfluid density shows a long tail near the superconducting transition temperature which is consistent with the emergence of a two-dimensional to three-dimensional crossover in the superconducting state. These observations challenge the early theoretical framework and propel further experimental and theoretical interests in the pairing nature of the infinite-layer nickelate family.

研究动机与目标

• 解决无限层镍酸盐中超导能隙对称性长期存在的争议。
• 通过系统研究镍酸盐家族，理解高温超导体中库珀对配对的本质。
• 探究稀土阳离子在决定超导序参量对称性中的作用。
• 通过超流密度测量探测超导态中的维度交叉行为。
• 挑战假设镍酸盐中为 d_{x²−y²}-波配对的现有理论框架。

提出的方法

• 在具有高结晶质量的 (Nd,Sr)NiO₂ 和 (La,Ca)NiO₂ 外延薄膜上进行高精度的伦敦穿透深度测量。
• 利用温度依赖的磁穿透深度提取超流密度，并推断超导能隙的对称性。
• 分析穿透深度的温度依赖性，以区分无节点与有节点的能隙结构。
• 将观测到的行为与 d 波、s 波及 (d+is)-波配对对称性的理论模型进行比较。
• 采用二维到三维的交叉模型来解释接近 Tc 时超流密度的长尾行为。
• 对钕基与镧系元素基镍酸盐体系进行系统比较，识别稀土元素特异性的效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 无限层镍酸盐中超导态的配对对称性是什么？
• RQ2 钕基与镧系元素基镍酸盐之间的超导能隙结构有何不同？
• RQ3 镍酸盐中的超导序参量是否遵循与铜氧化物类似的简单 d_{x²−y²}-波对称性？
• RQ4 接近 Tc 时超流密度的长尾现象的起源是什么？它对维度性有何启示？
• RQ5 稀土阳离子如何影响超导能隙对称性与配对机制？

主要发现

• 钕基 (Nd,Sr)NiO₂ 展现出无节点的超导能隙，具有 (d+is)-波对称性，表明其配对态远超简单的 d_{x²−y²}-波对称性。
• 相比之下，镧系元素基 (La,Ca)NiO₂ 展现脏线节点行为，与存在杂质散射的 d_{x²−y²}-波能隙一致。
• 两个体系中的超流密度在接近 Tc 时均表现出长尾，表明超导态中存在二维到三维的维度交叉。
• 观测到的稀土元素特异性序参量对称性表明，电子结构与自旋-轨道耦合效应在镍酸盐配对中起着关键作用。
• 研究结果挑战了早期理论假设镍酸盐为 d_{x²−y²}-波超导体的观点，亟需建立新的理论框架。
• 本研究明确了不同镍酸盐家族之间配对对称性的显著差异，凸显了阳离子依赖性电子效应的重要性。