[论文解读] Quantifying interaction mechanism in infinite layer nickelate superconductors

E. F. Talantsev|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 75被引用 4

一句话总结

本研究利用先进的Bloch-Grüneisen模型，分析了无限层镍酸盐超导体（R1-xSrxNiO2）中的温度依赖电阻率，以量化电子散射机制。研究发现，钕（Nd）和镨（Pr）基化合物的p=2.0（表明为电子-电子散射），而镧（La）基化合物的p=1.3，这一结果无法用现有理论解释，挑战了传统模型，并呼吁建立新的理论框架来描述这些材料中短程反铁磁相互作用的机制。

ABSTRACT

The relationship between the long-range antiferromagnetic order in cuprates and the high-temperature superconductivity in these compounds represents unresolved, nearly four-decades long scientific problem. Because recently discovered nickelate superconductors are crystallographical counterparts of cuprates, many properties and difficulties into describing these compounds are common to both families. Recently, Fowlie et al (2022 Nature Physics 18 1043) aimed to detect the antiferromagnetic order in $R_{1-x}Sr_{x}NiO_{2}$ (R = Nd, Pr, La, x ~ 0.2) films by using the muon spin rotation (muSR) technique. This research group reported on the existence of short-range antiferromagnetic order in all studied nickelates. Here, we aimed to reveal the existence of this interaction in the same nickelate films by analyzing the temperature dependent resistivity, $ρ(T)$, reported by the same research group. Global $ρ(T)$ data fits to the advanced Bloch-Grüneisen model showed that each of R1-xSrxNiO2 compounds can be characterized by a unique power-law exponent, p (where p=2 for the electron-electron scattering, p=3 for the electron-magnon scattering, and p=5 for the electron-phonon scattering), and global characteristic temperature, $T_ω$ (which has the meaning of the Debye temperature at p=5). We found that p=2.0 in Nd- and Pr-based compounds, and p=1.3 for La-based compound. The latter value does not have any interpretation within established theoretical models. We also analyzed $ρ(T)$ data for $Nd_{1-x}Sr_{x}NiO_{2}$ (0.125 < x < 0.325) reported by Lee et al (2022 arXiv2203.02580). Because our analysis showed that p-values in nickelates are remarkably different from p=3, we call for the developent of a new theoretical model to describe $ρ(T)$ in materials exhibiting a short-range antiferromagnetic order.

研究动机与目标

• 利用电阻率数据，研究无限层镍酸盐超导体（R1-xSrxNiO2）中的电子散射机制。
• 确定既有的散射模型（电子-电子、电子-磁振子、电子-声子）是否能解释观测到的温度依赖电阻率。
• 识别与预期p值（如电子-磁振子散射的p=3）的偏差，并评估其理论意义。
• 通过在镧基镍氧化物中发现非物理的p值（p=1.3）来挑战现有理论模型。
• 倡导开发新的理论框架，以描述具有短程反铁磁序材料中的电子相互作用。

提出的方法

• 对钕（Nd）、镨（Pr）和镧（La）基R1-xSrxNiO2薄膜的温度依赖电阻率（ρ(T)）数据进行全局拟合，采用先进的Bloch-Grüneisen模型。
• 利用幂律指数p对主导电子散射机制进行分类：p=2（电子-电子散射）、p=3（电子-磁振子散射）、p=5（电子-声子散射）。
• 提取全局特征温度Tω，当p=5时，其被解释为德拜温度。
• 分析Lee等人（2022）关于Nd1-xSrxNiO2（0.125 < x < 0.325）的ρ(T)数据，以验证不同数据集之间的一致性。
• 比较不同稀土掺杂元素的p值，以评估散射行为是普遍性还是材料特异性。
• 使用Fowlie等人（2022）在μSR研究中报告的相同电阻率数据，以确保物理解释的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于ρ(T)分析，Nd1-xSrxNiO2和Pr1-xSrxNiO2薄膜中的主导电子散射机制是什么？
• RQ2 为何La1-xSrxNiO2化合物表现出p=1.3的幂律指数，而现有理论模型无法解释这一现象？
• RQ3 镍酸盐中观测到的p值是否与具有短程反铁磁序系统中电子-磁振子散射的预测一致（即p=3）？
• RQ4 当p≠5时，从拟合中提取的特征温度Tω是否可作为这些材料中德拜温度的可靠代理？
• RQ5 镍酸盐中的电阻率行为是否能被现有理论模型一致描述，还是需要新的理论框架？

主要发现

• Nd1-xSrxNiO2和Pr1-xSrxNiO2化合物的幂律指数p=2.0，表明电子-电子散射为主导机制。
• La1-xSrxNiO2的p值为1.3，与现有散射模型不一致，且缺乏理论解释。
• 镍酸盐中的p值与预期的电子-磁振子散射p=3显著不同，后者预期出现在反铁磁系统中。
• 从拟合中提取的特征温度Tω在镧基化合物中与德拜温度的预期不符，表明其散射机制并非以声子为主。
• 在多个镍酸盐体系中观测到的电阻率行为无法用现有理论模型解释，表明亟需新的理论发展。
• 本研究呼吁建立新的理论框架，以描述具有短程反铁磁序材料中的电子相互作用，特别是鉴于镧基化合物中p=1.3这一未解之谜。