라2스미니2오7 얇은막에서 반강자성 스핀 변동과 초전도의 공존

초록

압축 변형된 라2스미니2오7 얇은막에서 ‘멕시칸 햇’ 형태의 자기저항을 관찰하였다. 저자들은 저자장 영역에서 반강자성 스핀 변동에 의한 음의 MR와 고자장 영역에서 초전도 플럭투에이션의 제압에 의한 양의 MR가 경쟁함을 밝혀냈다. 교차장인 B는 온도가 상승함에 따라 감소하고 초전도 시작점에서 사라진다. 산소 결함이 B를 억제한다는 점에서 스핀 변동이 초전도 쌍성 형성에 핵심적인 역할을 함을 시사한다.

상세 분석

본 연구는 압축 변형을 가한 라2스미니2오7(Ruddlesden‑Popper 3‑2‑7) 얇은막의 구조와 전자적 특성을 정밀하게 규명함으로써, 비정통 고온 초전도체에서 자주 논의되는 스핀 플럭투와 초전도 사이의 상호작용을 실험적으로 입증하였다. X‑ray 회절과 반사 회절을 통해 1.7 % 정도의 압축 변형이 전이층에 균일히 전달되었으며, Glazer 기호 a⁻a⁻c⁺ 형태의 옥사이드 옥타헤드 회전이 확인되었다. 이는 이론적으로 압축 변형이 층간 반강자성(AFM) 결합을 강화한다는 예측과 일치한다. 전기 전도도 측정에서는 68 K 이상에서 금속성, 21–68 K 사이에서 절연성 상승, 21 K 이하에서 초전도 전이(Tc onset ≈ 21 K)라는 세 단계가 관찰되었다. 특히, 저자장(in‑plane)에서 ‘멕시칸 햇’ 형태의 MR가 나타났는데, |B| < B* 구역에서는 음의 MR가 나타나며 이는 AFM 스핀 변동에 의한 전자 산란 억제 효과로 해석된다. 반대로 |B| > B에서는 ρ ∝ B²의 양의 MR가 나타나며, 이는 초전도 플럭투의 Zeeman 파괴에 기인한다. B는 온도가 상승함에 따라 감소하고, 초전도 시작점에 도달하면 사라진다. 이는 고‑Tc 구리산화물에서 관찰되는 B와는 정반대의 온도 의존성을 보이며, 스핀 플럭투가 초전도와 동시에 존재한다는 강력한 증거가 된다. 산소 결함이 존재하는 시료(샘플 1)에서는 B가 작고, 결함을 최소화한 시료(샘플 2)에서는 B*가 2 K에서 약 8 T까지 확대되는 등, 결함이 AFM 플럭투를 억제한다는 사실이 확인되었다. 또한, MR의 히스테리시스는 B_HF ≈ 5 T와 B_LF ≈ ‑2 T라는 두 경계장을 보이며, 이는 초전도 쌍성 파괴 후 생성된 정상 전자와 스핀 글라스‑유사 상호작용을 시사한다. 각도 의존성 실험에서는 필드가 완전히 평면에 가까울 때만 음의 MR가 나타나며, θ가 91.9°를 초과하면 양의 MR이 지배적으로 변한다. 이는 수직 성분이 소용돌이 밀도를 급증시켜 소모를 증가시키기 때문이다. 전반적으로, 압축 변형이 Ni‑O‑Ni 결합을 조절해 AFM 상호작용을 강화하고, 이러한 스핀 플럭투가 초전도 쌍성 매개체로 작용한다는 결론에 도달한다. 이는 3‑2‑7 니켈레이트가 단일 밴드 구리산화물과 달리 e_g와 t_2g 궤도가 동시에 페르미면에 기여함으로써 복합적인 스핀‑궤도 상호작용을 가능하게 함을 뒷받침한다. 따라서 본 연구는 니켈레이트 초전도의 메커니즘을 이해하는 데 핵심적인 실험적 근거를 제공한다.