압축으로 최고 12.7켈빈까지 상승하는 벌크 라오의 3차원 비정통 초전도

초록

고압·고온 합성으로 얻은 순수 벌크 라오(LaO)는 상온에서 타입‑II 초전도성을 보이며 전이온도 TC≈6 K이다. Y 도핑(x = 0.10)으로 격자 수축과 전자 농도 증가가 일어나 TC가 6.9 K로 상승한다. 물리적 압력을 가하면 TC가 20 GPa에서 12.7 K까지 상승하는 돔형 압력‑TC 상을 형성한다. 압축에 따라 전자밀도는 감소하지만 La‑5d와 O‑2p의 혼성화가 강화되어 3차원 다중 포켓 페르미면이 형성되고, 이는 스핀·궤도 플럭투에이션 매개 비정통 페어링을 촉진한다는 것이 DFT 계산으로 제시된다.

상세 분석

이 연구는 LaO의 본질적인 초전도성을 최초로 확립하고, 압축에 의한 TC 상승이 전통적인 BCS 메커니즘과 정반대임을 보여준다. 먼저, 5 GPa·1573 K 조건에서 HPHT 합성한 라오가 NaCl형(Fm‑3m) 구조를 갖는 순수 상으로 확인되었으며, XRD와 SPXD 분석을 통해 격자 상수 a=5.145 Å를 얻었다. Y3+을 부분적으로 치환한 La1‑xYxO(x=0.05,0.10)는 격자 수축(a=5.140 Å,5.129 Å)과 동시에 전자 농도(2.5→3.3 ×10^22 cm‑3) 증가를 보였다. 이는 화학적 압축이 전자 밴드의 채움을 촉진함을 의미한다.

자기측정에서 ZFC/FC 곡선은 거의 100 %의 완전한 자기 차폐를 나타내며, 전기저항 측정은 금속성 상전이와 TC(onset)=5.58→6.38 K(도핑에 따라) 를 확인한다. 상압에서의 상한장(HC2)≈3.85 T와 코히런스 길이 ξ≈93 Å는 전형적인 타입‑II 초전도체임을 시사한다.

압력 실험에서는 0→2.5 GPa 구간에서 TC가 급격히 11.8 K까지 상승하고, 20 GPa에서 최대 12.7 K에 도달한 뒤 25 GPa 이상에서 완만히 감소한다. 흥미롭게도 압축에 따라 전자 상태밀도(DOS) at EF는 감소하지만, DFT 계산은 La‑5d와 O‑2p의 혼성화가 강화되고, 결정장 필드가 변형돼 e_g와 t_2g 밴드가 재배열되어 3차원 다중 포켓 페르미면이 형성된다고 제시한다. 이러한 전자구조 변화는 스핀·궤도 플럭투에이션이 강화되어 전자-전자 상호작용에 의한 비정통 페어링을 촉진할 가능성을 제공한다.

또한, 얇은 필름에서 관찰된 인장 변형에 의한 TC 상승과는 정반대의 압축 효과가 나타나, 등방성 압축이 비정통 메커니즘을 활성화시키는 반면, 비등방성 인장 변형은 결정장 분열과 밴드 퇴화를 초래한다는 점을 강조한다. 따라서 LaO는 압축에 의해 전자-격자 상호작용이 재조정되는 모델 시스템으로, 5d 전자 궤도와 p‑d 혼성화가 초전도성에 미치는 영향을 직접 검증할 수 있는 귀중한 플랫폼이다.