Signaturen der Supraleitung nahe 80 K in einem Nickelat unter hohem Druck

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Obwohl die Supraleitung bei hohen Übergangstemperaturen (hoher Tc) in Kupraten seit mehr als drei Jahrzehnten bekannt ist, ist der zugrunde liegende Mechanismus weiterhin unbekannt1,2,3,4. Cuprate sind die einzigen unkonventionellen Supraleiter, die eine Massensupraleitung mit Tc oberhalb der Siedetemperatur von flüssigem Stickstoff von 77 K aufweisen. Hier beobachten wir, dass Messungen des Hochdruckwiderstands und der gegenseitigen induktiven magnetischen Suszeptibilität Anzeichen von Supraleitung in Einkristallen von La3Ni2O7 mit einem maximalen Tc von zeigten 80 K bei Drücken zwischen 14,0 GPa und 43,5 GPa. Die supraleitende Phase unter hohem Druck hat eine orthorhombische Struktur der Fmmm-Raumgruppe mit \(3{d}_{{x}^{2}-{y}^{2}}\) und \(3{d}_ {{z}^{2}}\)-Orbitale von Ni-Kationen, die sich stark mit Sauerstoff-2p-Orbitalen vermischen. Unsere Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie deuten darauf hin, dass die Supraleitung gleichzeitig mit der Metallisierung der σ-Bindungsbänder unter dem Fermi-Niveau entsteht, bestehend aus den \(3{d}_{{z}^{2}}\)-Orbitalen mit der Apikale Sauerstoffionen verbinden die Ni-O-Doppelschichten. Somit liefern unsere Entdeckungen nicht nur wichtige Hinweise für die Hoch-Tc-Supraleitung in diesen doppelschichtigen Ruddlesden-Popper-Perowskit-Nickelaten, sondern auch eine bisher unbekannte Verbindungsfamilie zur Untersuchung des Hoch-Tc-Supraleitungsmechanismus.

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MW dankt der National Natural Science Foundation of China (Zuschuss-Nr. 12174454), den Guangdong Basic and Applied Basic Research Funds (Zuschuss-Nr. 2021B1515120015) und dem Guangdong Provincial Key Laboratory of Magnetoelectric Physics and Devices (Zuschuss-Nr. 2022B1212010008) für die Unterstützung. . HS dankt den Guangzhou Basic and Applied Basic Research Funds für die Unterstützung (Fördernummer 202201011123). D.-XY wird von NKRDPC-2022YFA1402802, NKRDPC-2018YFA0306001, NSFC-92165204, NSFC-11974432 und der Shenzhen International Quantum Academy unterstützt. PY, BW und JC werden von der National Natural Science Foundation of China (Zuschuss-Nr. 12025408 und 11921004), der Beijing Natural Science Foundation (Zuschuss-Nr. Z190008), dem National Key R&D Program of China (Zuschuss-Nr. 2021YFA1400200) und dem unterstützt Strategisches vorrangiges Forschungsprogramm des CAS (Fördernummer XDB33000000). Ein Teil dieser Arbeiten wurde in der Synergetic Extreme Condition User Facility durchgeführt. Hochdruck-Synchrotron-Röntgenmessungen wurden an der Hochdruckstation 4W2 der Beijing Synchrotron Radiation Facility durchgeführt, die von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften unterstützt wird (Förderungsnummern KJCX2-SW-N20 und KJCX2-SW-N03).

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Hualei Sun, Mengwu Huo

Zentrum für Neutronenwissenschaft und -technologie, Schlüssellabor für magnetoelektrische Physik und Geräte der Provinz Guangdong, Fakultät für Physik, Sun Yat-Sen-Universität, Guangzhou, China

Hualei Sun, Mengwu Huo, Xunwu Hu, Jingyuan Li, Zengjia Liu, Dao-Xin Yao und Meng Wang

School of Molecular Sciences, Center for Materials of the Universe, Arizona State University, Tempe, AZ, USA

Yifeng Han

Fakultät für Physik und Optoelektronik, South China University of Technology, Guangzhou, China

Lingyun Tang & Zhongquan Mao

Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics, Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Peking, China

Pengtao Yang, Bosen Wang und Jinguang Cheng

Staatliches Schlüssellabor für niederdimensionale Quantenphysik, Fachbereich Physik, Tsinghua-Universität, Peking, China

Guang-Ming Zhang

Kollaboratives Innovationszentrum für Quantenmaterie, Peking, China

Guang-Ming Zhang

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MW hat das Projekt entworfen; ZL und MH ließen die Einkristalle wachsen; HS, MH und JL führten die Widerstandsmessungen bei unterschiedlichen Drücken durch; HS führte die Synchrotron-XRD-Messungen durch; HS und JL führten die Hochdruck-Suszeptibilitätsmessungen mit Unterstützung von LT und ZM durch; Die magnetische Suszeptibilität für Drücke unter 14 GPa (Daten nicht gezeigt) wurde mit Unterstützung von PY, BW und JC gemessen; HS, YH und MH führten die Strukturanalyse durch; D.-XY und XH führten die DFT-Berechnungen durch. G.-MZ schlug ein relevantes physikalisches Bild vor, um sowohl die numerischen als auch die experimentellen Ergebnisse zu verstehen. MW und G.-MZ haben den Artikel mit Beiträgen aller Co-Autoren verfasst.

Korrespondenz mit Guang-Ming Zhang oder Meng Wang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature dankt den anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit. Peer-Reviewer-Berichte sind verfügbar.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

a, Ni-O-Abstände gegen Druck. Die Gitterkonstanten werden durch Synchrotron-Röntgenbeugung verfeinert. Die Ni-O-Abstände werden aus der Optimierung durch die Dichtefunktionaltheorie ermittelt und in den Berechnungen verwendet. b, Skizze der NiO6-Oktaeder. d1, d2, d3 und d4 bezeichnen die entsprechenden Ni-O-Abstände.

Quelldaten

a–f, orbitalzerlegte Bandstrukturen von La3Ni2O7 bei a–d 1,6 GPa und e–f 29,5 GPa. i, Die Gesamtzustandsdichte bei 1,6 und 29,5 GPa nahe dem Fermi-Niveau. j, Schematische Darstellung der dreidimensionalen reziproken Elementarzelle. Die roten Linien entsprechen den Pfaden der elektronischen Bänder. k, Berechnete zweidimensionale Fermi-Oberflächen von La3Ni2O7 in einer Brillouin-Zone bei 1,6 GPa, markiert durch ein schwarzes Quadrat. Die Fermi-Oberflächen bestehen aus Elektronenbändern (α1,2) und einem Lochband (β1). l, Zweidimensionale Fermi-Oberflächen von La3Ni2O7 bei 29,5 GPa. Zusätzliche Lochbänder (Ni \(3{d}_{{z}^{2}}\)) kreuzen das Fermi-Niveau.

Quelldaten

a–c, Widerstandskurven erhalten aus: a, Lauf 1, b, Lauf 3 und c, Lauf 4, gemessen mit einer Dichtung aus kubischem Bornitrid ohne druckübertragendes Medium. Die vertikalen gestrichelten Linien zeigen die beginnende supraleitende Übergangstemperatur Tc an. Der Einschub in a ist ein Foto, das die Elektroden für die Hochdruckmessungen zeigt. Für die Messungen wurde ein Strom von 10 μA verwendet.

Quelldaten

a,b, Widerstand gemessen bei a, 29,1 GPa und b, 43,5 GPa im Lauf 2 mit KBr als Druckübertragungsmedium. Die horizontalen gestrichelten Linien markieren 0,9 × R(Tconset), wobei R(Tconset) der Widerstand beim Einsetzen von Tc ist.

Quelldaten

a–c, Rohdaten des Realteils der Wechselstromsuszeptibilität, die eine ausgeprägte diamagnetische Reaktion bei 28,7 GPa mit einer Stromstärke von 50 mA und einer Frequenz von a 373, b 393, c 423 Hz zeigen. d–f, identische Messungen bei 25,2 GPa. Die roten gestrichelten Linien sind angepasste Hintergründe, die dem Trend über den supraleitenden Übergängen folgen. Die Einschübe in a–f zeigen die diamagnetischen Signale, die durch Subtraktion der angepassten linearen Hintergründe erhalten werden. Die Übergangstemperatur verschiebt sich, da sich der Druck bei jeder Messung ändert. g, h, Messungen der diamagnetischen Reaktion bei 5,3 GPa, gemessen während des Dekomprimierungsprozesses mit einem Frequenzstrom von 373 bzw. 393 Hz. i, Die Hintergrundmessung der diamagnetischen Reaktion der Zelle ohne Probe. Der Einschub in i ist ein Bild des Versuchsaufbaus für die AC-Suszeptibilitätsmessungen in einer Diamantambosszelle mit einer Signalspule um die Diamantambosse und einer benachbarten Kompensationsspule.

Quelldaten

Der starke Abfall bei 3,6 K entspricht dem supraleitenden Übergang von Pb, der zur Kalibrierung des Drucks verwendet wird. In der magnetischen Suszeptibilität spiegeln sich keine weiteren offensichtlichen Übergänge wider.

Quelldaten

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Nachdrucke und Genehmigungen

Sun, H., Huo, M., Hu, X. et al. Signaturen der Supraleitung nahe 80 K in einem Nickelat unter hohem Druck. Natur (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06408-7

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Eingegangen: 13. April 2023

Angenommen: 06. Juli 2023

Veröffentlicht: 12. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06408-7

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