▲第一作者：Kyuho Lee
通讯作者：Kyuho Lee
通讯单位： 美国SLAC国家加速器实验室，美国斯坦福大学
DOI：
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06129-x
01
研究背景
自从发现氧化铜超导体以来，掺杂相关绝缘体可以产生超导性的想法一直是一个普遍的指导原则，对扭曲的双层石墨烯等材料产生了影响。在掺杂绝缘体时，通常会出现一种具有非常规电输运的“奇怪金属”，并在进一步掺杂之前形成更传统的类费米液体行为。这种现象学要求母化合物在多大程度上表现出强绝缘的基态，以及它是否应该表现出磁性，几十年来一直在讨论。另一方面，这种奇怪的金属行为是否反映了相关绝缘体的接近，或者是从零温度相变到破坏的对称相，仍然是活跃的争论和大部分未解决的问题。最近对层状镍酸盐超导电性的发现引起了类似的兴趣。然而，掺杂无限层镍酸盐薄膜的输运测量受到这些亚稳态化合物材料的限制：特别是高密度的扩展缺陷。
02
研究问题
本研究通过转移到更好地稳定生长和还原条件的衬底(LaAlO3)0.3(Sr2TaAlO6)0.7，可以合成基本上没有扩展缺陷的掺杂系列Nd1-xSrxNixO2。在没有它们的情况下，正常态的电阻率在欠掺杂区域表现出低温上升，在最佳掺杂附近呈现线性行为，并且在过度掺杂时表现出二次温度依赖关系。这在现象学上与氧化铜相似。尽管存在关键区别 - 即没有绝缘母体化合物、多带电子结构、莫特 - 哈伯德轨道排列，而且不是铜氧化物的电荷转移绝缘体。本研究进一步观察到超导电性的增强，无论是在转变温度和掺杂范围方面。这些结果表明，随着镍酸盐中无序尺度的减小，两个超导族的电子性质趋于一致。
▲图1|增强 Nd1–xSrxNiO2 薄膜在 LSAT 上的结晶度
要点：
1.超导无限层镍酸盐的合成和研究的一个中心问题是材料控制，因为这个系统的热力学稳定性很差，从文献中报告的无限层镍酸盐的电阻率的数量级变化中可见一斑。正如在铜氧化物的发展中一样，最小化无序和非本征缺陷对于阐明正常态和超导相图的本质是至关重要的。本研究在Nd1–xSrxNiO2 (x = 0.05-0.325)的结晶度方面取得了实质性的进展，方法是使用(LaAlO3)0.3(Sr2TaAlO6)0.7衬底来优化钙钛矿前驱体和无限层相的外延失配。
2.本研究注意到LSAT衬底的Pr0.8Sr0.2NiO2的超导起始转变温度Tc的提高是由文献[1]首次报道的。如高角度环形暗场扫描电子显微镜(STEM)横截面图像(图1a，b)所示，在广泛使用的衬底钛酸锶(a = 3.905 Å)上生长的密集填充薄膜的Ruddlesden-Popper型垂直层错结构在在LSAT上却没有产生，而是留下宏观上干净的薄膜，缺陷极少 (图1b)。这也反映在电阻率ρ的大幅下降上(图1c)。
▲图2|高结晶度Nd1-xSrxNiO2相图
要点：
1.LSAT上的这一优化样本系列为研究无限层镍盐的相图提供了一个可靠的平台。本研究观察到，ρ(20 K)现在在所有x上保持0.1-0.3 mΩ cm的类似范围，显著低于每个NiO2平面的电阻量子Rq的标度(图2a)。这包括欠掺杂和过度掺杂两种情况，ρ(20 K)大约比以前报道的低5-30倍(大约0.6-9 mΩ cm)。这表明低温正常态的散射率在相图上是相似的，尽管应该考虑多带效应。
2.值得注意的是，在LSAT上仍然可以观察到超导穹顶(图2b-d)。对于以前在SrTiO3上生长的薄膜，超导电性的存在与正常态电阻相对于Rq的大小之间存在着直接的关联。正常态电阻在很大程度上取决于衬底(LSAT对SrTiO3)，而超导穹顶的存在则不是，这表明穹顶本身并不是掺杂镍酸盐无序的结果。然而，在定量水平上，低阻膜中的超导穹顶明显更大，在x ≅0.15-0.175(图2b)的最佳掺杂时，Tc高于20 K，其宽度Δx ≅ 0.2现在与铜氧化物的宽度非常接近。
3.图 2b 显示了相图中标准化为室温值的 ρ(T) 斜率的变化。可以观察到三种行为状态，代表性数据如图 2e-g 所示：以 Tupturn 为特征的欠掺杂区域的电阻上升（电阻率最小值出现的温度 (dρ/dT = 0)），过掺杂区域的ρ∝ T2，以及超导穹顶峰值处ρ∝T的窄范围。
▲图3|欠掺杂区的磁输运特性
要点：
1.在欠掺杂区域，SrTiO3 薄膜的低温电阻率变化大致为 log(1/T)。比较 LSAT 上薄膜的数据，尽管电阻率本身在较干净的样品中小了大约四倍，但 Tupturn 几乎相同（图 2e）。Tupturn 作为磁场的函数也基本上是恒定的，总体磁阻相对较小（图 3）。这些观察结果表明：电阻上升不能直接归因于无序或局域化效应（有或没有相互作用校正），也不能直接归因于Kondo定理。事实上，通过将测量扩展到更低的温度，本研究观察到电阻率饱和度低于 2 K（图 3）。
▲图4|过掺杂制度的磁输运特性
要点：
1.与欠掺杂状态相反，当降低无序度（图2f）和施加磁场（图4a-d）时，过掺杂区域电阻上升的温度起始点显着降低。事实上，Tupturn 显示出与低温常态电阻率的强烈线性相关性（图 4e）。
2.本研究还注意到，电阻上升的抑制显示出对外延应变的最小依赖性。这些观察结果表明，过掺杂区域的电阻上升是由无序物理驱动的，与欠掺杂区域不同，它似乎是由相关效应引起的。用14 T磁场抑制实验证明了低温下金属类费米液体ρ ≅ AT2，二次系数A与Tupturn或x基本不相关（图4e）。
03
结语
由于强电子相关性驱动的欠掺杂区域电阻率上升，接近最佳掺杂的非费米液体 T 线性电阻率和过掺杂区域的 T2 电阻率，无限层镍酸盐的超导相图与La2–xSrxCuO4 非常相似。这是令人惊讶的，特别是考虑到两个系统之间的关键区别。镍酸盐的未掺杂母体状态不是反铁磁绝缘体。Nd 5d 和 Ni 3d 能带之间的杂化在费米表面引入电子口袋，这使得镍酸盐成为本质上的多能带系统。光谱测量表明，镍酸盐的轨道排列更接近莫特-哈伯德体系，而不是空穴掺杂铜氧化物等电荷转移体系。然而，Nd1-xSrxNiO2 相图（特别是正常状态下的超导穹顶和电传输）与 La2-xSrxCuO4 相似。超导穹顶与假设配对主要在 Ni 3dx2−y2 带中的计算结果一致，表明相同的机制可能在两个系统中发挥作用。相图中的相似性不仅限于这些氧化物，还包括扭曲双层石墨烯和硫属化物等不同的材料，暗示其电传输的潜在普遍性仍有待理解。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06129-x
转自：“研之成理”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
