Papers
Topics
Authors
Recent
Assistant
AI Research Assistant
Well-researched responses based on relevant abstracts and paper content.
Custom Instructions Pro
Preferences or requirements that you'd like Emergent Mind to consider when generating responses.
Gemini 2.5 Flash
Gemini 2.5 Flash 170 tok/s
Gemini 2.5 Pro 48 tok/s Pro
GPT-5 Medium 37 tok/s Pro
GPT-5 High 39 tok/s Pro
GPT-4o 130 tok/s Pro
Kimi K2 187 tok/s Pro
GPT OSS 120B 445 tok/s Pro
Claude Sonnet 4.5 37 tok/s Pro
2000 character limit reached

Discovery of Giant Unit-Cell Super-Structure in the Infinite-Layer Nickelate PrNiO$_2$ (2404.17795v1)

Published 27 Apr 2024 in cond-mat.supr-con and cond-mat.mtrl-sci

Abstract: Spectacular quantum phenomena such as superconductivity often emerge in flat-band systems where Coulomb interactions overpower electron kinetics. Engineering strategies for flat-band physics is therefore of great importance. Here, using high-energy grazing-incidence x-ray diffraction, we demonstrate how in-situ temperature annealing of the infinite-layer nickelate PrNiO$_2$ induces a giant superlattice structure. The annealing effect has a maximum well above room temperature. By covering a large scattering volume, we show a rare period-six in-plane (bi-axial) symmetry and a period-four symmetry in the out-of-plane direction. This giant unit-cell superstructure likely stems from ordering of diffusive oxygen. The stability of this superlattice structure suggests a connection to an energetically favorable electronic state of matter. As such, our study provides a new pathway - different from Moir\'e structures - to ultra-small Brillouin zone electronics.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (36)
  1. J. Shi, J. Zhang, L. Yang, M. Qu, D.‐C. Qi,  and K. H. L. Zhang, “Wide bandgap oxide semiconductors: from materials physics to optoelectronic devices,” Advanced Materials 33 (2021), 10.1002/adma.202006230.
  2. B. Keimer, S. A. Kivelson, M. R. Norman, S. Uchida,  and J. Zaanen, “From quantum matter to high-temperature superconductivity in copper oxides,” Nature 518, 179–186 (2015).
  3. M R Norman, “Materials design for new superconductors,” Reports on Progress in Physics 79, 074502 (2016).
  4. D. Li, K. Lee, B. Y. Wang, M. Osada, S. Crossley, H. R. Lee, Y. Cui, Y. Hikita,  and H. Y. Hwang, “Superconductivity in an infinite-layer nickelate,” Nature 572, 624–627 (2019).
  5. D. Li, B. Y. Wang, K. Lee, S. P. Harvey, M. Osada, B. H. Goodge, L. F. Kourkoutis,  and H. Y. Hwang, “Superconducting dome in nd1−x⁢srx⁢nio2subscriptnd1𝑥subscriptsr𝑥subscriptnio2{\mathrm{nd}}_{1-x}{\mathrm{sr}}_{x}{\mathrm{nio}}_{2}roman_nd start_POSTSUBSCRIPT 1 - italic_x end_POSTSUBSCRIPT roman_sr start_POSTSUBSCRIPT italic_x end_POSTSUBSCRIPT roman_nio start_POSTSUBSCRIPT 2 end_POSTSUBSCRIPT infinite layer films,” Phys. Rev. Lett. 125, 027001 (2020).
  6. M. Osada, B. Y. Wang, K. Lee, D. Li,  and H. Y. Hwang, “Phase diagram of infinite layer praseodymium nickelate pr1−x⁢srx⁢nio2subscriptpr1𝑥subscriptsr𝑥subscriptnio2{\mathrm{pr}}_{1-x}{\mathrm{sr}}_{x}{\mathrm{nio}}_{2}roman_pr start_POSTSUBSCRIPT 1 - italic_x end_POSTSUBSCRIPT roman_sr start_POSTSUBSCRIPT italic_x end_POSTSUBSCRIPT roman_nio start_POSTSUBSCRIPT 2 end_POSTSUBSCRIPT thin films,” Phys. Rev. Mater. 4, 121801 (2020a).
  7. S. Zeng, C. Li, L. E. Chow, Y. Cao, Z. Zhang, C. S. Tang, X. Yin, Z. S. Lim, J. Hu, P. Yang,  and A. Ariando, “Superconductivity in infinite-layer nickelate la1-xcaxnio2 thin films,” Science Advances 8 (2022), 10.1126/sciadv.abl9927.
  8. S. Zeng, C. S. Tang, X. Yin, C. Li, M. Li, Z. Huang, J. Hu, W. Liu, G. J. Omar, H. Jani, Z. S. Lim, K. Han, D. Wan, P. Yang, S. J. Pennycook, A. T. S. Wee,  and A. Ariando, “Phase diagram and superconducting dome of infinite-layer nd1−x⁢srx⁢nio2subscriptnd1𝑥subscriptsr𝑥subscriptnio2{\mathrm{nd}}_{1-x}{\mathrm{sr}}_{x}{\mathrm{nio}}_{2}roman_nd start_POSTSUBSCRIPT 1 - italic_x end_POSTSUBSCRIPT roman_sr start_POSTSUBSCRIPT italic_x end_POSTSUBSCRIPT roman_nio start_POSTSUBSCRIPT 2 end_POSTSUBSCRIPT thin films,” Phys. Rev. Lett. 125, 147003 (2020).
  9. A. S. Botana and M. R. Norman, “Similarities and differences between lanio2subscriptlanio2{\mathrm{lanio}}_{2}roman_lanio start_POSTSUBSCRIPT 2 end_POSTSUBSCRIPT and cacuo2subscriptcacuo2{\mathrm{cacuo}}_{2}roman_cacuo start_POSTSUBSCRIPT 2 end_POSTSUBSCRIPT and implications for superconductivity,” Phys. Rev. X 10, 011024 (2020).
  10. J. F. Mitchell, “A nickelate renaissance,” Frontiers in Physics 9 (2021), 10.3389/fphy.2021.813483.
  11. B. H. Goodge, D. Li, K. Lee, M. Osada, B. Y. Wang, G. A. Sawatzky, H. Y. Hwang,  and L. F. Kourkoutis, “Doping evolution of the mott–hubbard landscape in infinite-layer nickelates,” Proceedings of the National Academy of Sciences 118, e2007683118 (2021).
  12. M. Hepting, D. Li, C. J. Jia, H. Lu, E. Paris, Y. Tseng, X. Feng, M. Osada, E. Been, Y. Hikita, Y.-D. Chuang, Z. Hussain, K. J. Zhou, A. Nag, M. Garcia-Fernandez, M. Rossi, H. Y. Huang, D. J. Huang, Z. X. Shen, T. Schmitt, H. Y. Hwang, B. Moritz, J. Zaanen, T. P. Devereaux,  and W. S. Lee, “Electronic structure of the parent compound of superconducting infinite-layer nickelates,” Nature Materials 19, 381–385 (2020).
  13. M. Kitatani, L. Si, O. Janson, R. Arita, Z. Zhong,  and K. Held, “Nickelate superconductors—a renaissance of the one-band Hubbard model,” npj Quantum Materials 5, 59 (2020).
  14. H. Lu, M. Rossi, A. Nag, M. Osada, D. F. Li, K. Lee, B. Y. Wang, M. Garcia-Fernandez, S. Agrestini, Z. X. Shen, E. M. Been, B. Moritz, T. P. Devereaux, J. Zaanen, H. Y. Hwang, Ke-Jin Zhou,  and W. S. Lee, “Magnetic excitations in infinite-layer nickelates,” Science 373, 213–216 (2021).
  15. G. Krieger, L. Martinelli, S. Zeng, L. E. Chow, K. Kummer, R. Arpaia, M. Moretti Sala, N. B. Brookes, A. Ariando, N. Viart, M. Salluzzo, G. Ghiringhelli,  and D. Preziosi, “Charge and spin order dichotomy in ndnio2subscriptndnio2{\mathrm{ndnio}}_{2}roman_ndnio start_POSTSUBSCRIPT 2 end_POSTSUBSCRIPT driven by the capping layer,” Phys. Rev. Lett. 129, 027002 (2022).
  16. Tranquada, J. M. and Sternlieb, B. J. and Axe, J. D. and Nakamura, Y. and Uchida, S., “Evidence for stripe correlations of spins and holes in copper oxide superconductors,” Nature 375, 561 (1995).
  17. J. Chang, E. Blackburn, A. T. Holmes, N. B. Christensen, J. Larsen, J. Mesot, Ruixing Liang, D. A. Bonn, W. N. Hardy, A. Watenphul, M. v. Zimmermann, E. M. Forgan,  and S. M. Hayden, “Direct observation of competition between superconductivity and charge density wave order in YBa2Cu3O6.67,” Nat. Phys. 8, 871–876 (2012).
  18. G. Ghiringhelli, M. Le Tacon, M. Minola, S. Blanco-Canosa, C. Mazzoli, N. B. Brookes, G. M. De Luca, A. Frano, D. G. Hawthorn, F. He, T. Loew, M. Moretti Sala, D. C. Peets, M. Salluzzo, E. Schierle, R. Sutarto, G. A. Sawatzky, E. Weschke, B. Keimer,  and L. Braicovich, “Long-Range Incommensurate Charge Fluctuations in (Y,Nd)Ba2Cu3O6+x,” Science 337, 821–825 (2012).
  19. D. H. da Silva Neto, P. Aynajian, A. Frano, R. Comin, E. Schierle, E. Weschke, A. Gyenis, J. Wen, J. Schneeloch, Z. Xu, S. Ono, G. Gu, M. Le Tacon,  and A. Yazdani, “Ubiquitous Interplay Between Charge Ordering and High-Temperature Superconductivity in Cuprates,” Science 343, 393–396 (2014).
  20. H.-C. Jiang and T. P. Devereaux, “Superconductivity in the doped Hubbard model and its interplay with next-nearest hopping t′,” Science 365, 1424–1428 (2019).
  21. V. Marino, F. Becca,  and L. F. Tocchio, “Stripes in the extended $t-t\̂prime$ Hubbard model: A Variational Monte Carlo analysis,” SciPost Physics 12, 180 (2022).
  22. M. Rossi, M. Osada, J. Choi, S. Agrestini, D. Jost, Y. Lee, H. Lu, B. Y. Wang, K. Lee, A. Nag, Y.-D. Chuang, C.-T. Kuo, S.-J. Lee, B. Moritz, T. P. Devereaux, Z.-X. Shen, J.-S. Lee, K.-J. Zhou, H. Y. Hwang,  and W.-S. Lee, “A broken translational symmetry state in an infinite-layer nickelate,” Nature Physics 18, 869–873 (2022).
  23. C. C. Tam, J. Choi, X. Ding, S. Agrestini, A. Nag, M. Wu, B. Huang, H. Luo, P. Gao, M. García-Fernández, L. Qiao,  and K.-J. Zhou, “Charge density waves in infinite-layer NdNiO2 nickelates,” Nature Materials 21, 1116–1120 (2022).
  24. X. Ren, R. Sutarto, Q. Gao, Q. Wang, J. Li, Y. Wang, T. Xiang, J. Hu, J. Chang, R. Comin, X. J. Zhou,  and Z. Zhu, “Two distinct charge orders in infinite-layer PrNiO2+{\delta} revealed by resonant x-ray diffraction,”  (2024), arXiv:2303.02865 [cond-mat.supr-con] .
  25. M. Rossi, H. Lu, K. Lee, B. H. Goodge, J. Choi, M. Osada, Y. Lee, D. Li, B. Y. Wang, D. Jost, S. Agrestini, M. Garcia-Fernandez, Z. X. Shen, Ke-Jin Zhou, E. Been, B. Moritz, L. F. Kourkoutis, T. P. Devereaux, H. Y. Hwang,  and W. S. Lee, “Universal orbital and magnetic structures in infinite-layer nickelates,” Phys. Rev. B 109, 024512 (2024).
  26. J. Pelliciari, N. Khan, P. Wasik, A. Barbour, Y. Li, Y. Nie, J. M. Tranquada, V. Bisogni,  and C. Mazzoli, “Comment on newly found charge density waves in infinite layer nickelates,”  (2023), arXiv:2306.15086 [cond-mat.supr-con] .
  27. C. T. Parzyck, N. K. Gupta, Y. Wu, V. Anil, L. Bhatt, M. Bouliane, R. Gong, B. Z. Gregory, A. Luo, R. Sutarto, F. He, Y.-D. Chuang, T. Zhou, G. Herranz, L. F. Kourkoutis, A. Singer, D. G. Schlom, D. G. Hawthorn,  and K. M. Shen, “Absence of 3a0 charge density wave order in the infinite-layer nickelate NdNiO2,” Nature Materials , 1–6 (2024).
  28. L. Si, P. Worm, D. Chen,  and K. Held, “Topotactic hydrogen forms chains in a⁢b⁢o2𝑎𝑏subscripto2ab{\mathrm{o}}_{2}italic_a italic_b roman_o start_POSTSUBSCRIPT 2 end_POSTSUBSCRIPT nickelate superconductors,” Phys. Rev. B 107, 165116 (2023).
  29. A. Raji, G. Krieger, N. Viart, D. Preziosi, J.-P. Rueff,  and A. Gloter, “Charge distribution across capped and uncapped infinite-layer neodymium nickelate thin films,” Small 19, 2304872 (2023).
  30. R. Jaramillo, Yejun Feng, J. C. Lang, Z. Islam, G. Srajer, P. B. Littlewood, D. B. McWhan,  and T. F. Rosenbaum, “Breakdown of the bardeen–cooper–schrieffer ground state at a quantum phase transition,” Nature 459, 405–409 (2009).
  31. M. v. Zimmermann, J. R. Schneider, T. Frello, N. H. Andersen, J. Madsen, M. Käll, H. F. Poulsen, R. Liang, P. Dosanjh,  and W. N. Hardy, “Oxygen-ordering superstructures in underdoped yba2cu3o6+x studied by hard x-ray diffraction,” Physical Review B 68, 104515 (2003).
  32. L. Balents, C. R. Dean, D. K. Efetov,  and A. F. Young, “Superconductivity and strong correlations in moiró flat bands,” Nature Physics 16, 725–733 (2020).
  33. M. Osada, B. Y. Wang, B. H. Goodge, K. Lee, H. Yoon, K. Sakuma, D. Li, M. Miura, L. F. Kourkoutis,  and H. Y. Hwang, “A superconducting praseodymium nickelate with infinite layer structure,” Nano Letters 20, 5735–5740 (2020b), publisher: American Chemical Society.
  34. N. Schell, A. King, F. Beckmann, T. Fischer, M. Müller,  and A. Schreyer, “The high energy materials science beamline (hems) at petra iii,” Materials Science Forum 772, 57 – 61 (2010).
  35. J. Gustafson, M. Shipilin, C. Zhang, A. Stierle, U. Hejral, U. Ruett, O. Gutowski, P.-A. Carlsson, M. Skoglundh,  and E. Lundgren, “High-energy surface x-ray diffraction for fast surface structure determination,” Science 343, 758–761 (2014).
  36. F. Bertram, O. Gutowski, J. Patommel, C. Schroer,  and U. Ruett, “1d silicon refractive lenses for surface scattering with high energy x-rays,” AIP Conference Proceedings 1741, 040003 (2016).

Summary

We haven't generated a summary for this paper yet.

Dice Question Streamline Icon: https://streamlinehq.com
Lightbulb Streamline Icon: https://streamlinehq.com

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

List To Do Tasks Checklist Streamline Icon: https://streamlinehq.com

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.

X Twitter Logo Streamline Icon: https://streamlinehq.com

Tweets

This paper has been mentioned in 2 tweets and received 15 likes.

Upgrade to Pro to view all of the tweets about this paper: