Intertwined Charge and Spin Density Waves in Trilayer Nickelate La$_4$Ni$_3$O$_{10}$ Revealed by $^{139}$La NQR

Mediante el uso de $^{139}$La NQR, este estudio revela que el La$_4$Ni$_3$O$_{10}$ experimenta una transición de fase de tipo de primer orden aproximadamente a 133 K, impulsada por una intrincada interacción entre ondas de densidad de carga y de espín inconmensurables, proporcionando información microscópica crítica sobre la relación entre los órdenes de ondas de densidad y la superconductividad en los níquelatos.

Lo esencial

La visión general: Una danza de electrones

Imagina una pista de baile abarrotada donde los bailarines son electrones. En la mayoría de los materiales, estos bailarines se mueven de forma algo aleatoria. Pero en materiales especiales llamados níquelatos (específicamente uno llamado La4Ni3O10), algo fascinante sucede cuando la temperatura baja.

Los electrones dejan de bailar de forma aleatoria y comienzan a organizarse en patrones. A veces se alinean en ondas de carga (donde se agrupan en algunos puntos y dejan huecos en otros). Otras veces se alinean en ondas de espín (donde sus "direcciones" magnéticas se alinean con un ritmo específico).

Los científicos llaman a estos patrones Ondas de Densidad (DW). La gran pregunta que responde este artículo es: ¿Cómo se comportan estos dos tipos de ondas y bailan juntas o por separado?

La herramienta: Escuchar el "latido del corazón"

Para averiguar esto, los investigadores utilizaron una técnica llamada NQR (Resonancia de Cuadrupolo Nuclear).

• La analogía: Imagina intentar escuchar un instrumento específico en una orquesta ruidosa. Los investigadores sintonizaron su radio para escuchar específicamente el "latido del corazón" de los átomos de Lantano (La) dentro del material.
• La configuración: Probaron dos tipos de muestras:
  1. Policristalina: Como una pila de piezas de rompecabezas rotas pegadas entre sí (muchos cristales diminutos con diferentes orientaciones).
  2. Monocristal: Como un cristal gigante y perfecto (todos los átomos están perfectamente alineados).
• Por qué es importante: La muestra de monocristal es como una foto de alta definición, mientras que la muestra policristalina es una instantánea borrosa. La muestra de alta calidad reveló detalles que la borrosa pasó por alto.

El descubrimiento: Un "chasquido" repentino

A medida que enfriaban el material, observaron lo que sucedía con el "latido del corazón" de los átomos de Lantano alrededor de los 133 Kelvin (aproximadamente -140 °C).

1. El "chasquido" (Transición de primer orden):
   En la muestra perfecta de monocristal, la señal no cambió lentamente. Chasqueó instantáneamente.

   • Analogía: Piensa en el agua congelándose en hielo. Normalmente, toma tiempo congelarse, pero aquí es como si el agua se convirtiera instantáneamente en un bloque de hielo en el momento en que alcanzó el punto de congelación. Esto sugiere un cambio muy nítido y repentino en el estado del material.
   • Nota: En la muestra policristalina "borrosa", este chasquido pareció un deslizamiento lento porque los diminutos cristales no se estaban congelando todos en el mismo instante exacto.

2. El patrón "desordenado" (Ondas inconmensurables):
   Cuando ocurrió la transición, las líneas de la señal se volvieron muy anchas y difusas.

   • Analogía: Imagina una banda de marcha. Si marchan en un paso perfecto (conmensurable), ves una línea limpia y nítida. Si marchan con ritmos ligeramente diferentes que no encajan del todo con el tamaño del estadio (inconmensurable), la línea se ve borrosa y desordenada.
   • El hallazgo: Las ondas en este material son "desordenadas" (inconmensurables). No encajan perfectamente en la red del cristal.

3. El "doble problema" (Carga y espín entrelazados):
   Los investigadores notaron que la señal cambió de una manera que no podía explicarse solo por ondas de carga O solo por ondas de espín. Necesitaba ambas.

   • La analogía: Es como una pareja bailando el tango. No puedes explicar el movimiento mirando solo los pies del hombre (carga) o solo los pies de la mujer (espín). Se mueven juntos en una forma compleja y entrelazada.
   • La conclusión: El material tiene tanto ondas de densidad de carga como ondas de densidad de espín ocurriendo al mismo tiempo, e influyéndose mutuamente.

El "calor" del momento (Fluctuaciones de espín)

Los investigadores también midieron qué tan rápido se relajaban los átomos después de ser excitados (llamado relajación espín-red).

• El hallazgo: Justo en el momento en que ocurrió el "chasquido" (133 K), los átomos se pusieron muy "excitados" o "calientes" en términos de fluctuaciones magnéticas.
• La paradoja: Normalmente, si un cambio ocurre de forma repentina (como un chasquido de primer orden), la excitación (fluctuaciones) debería ser baja. Pero aquí, la excitación fue enorme.
• La explicación: El artículo sugiere que las Ondas de Carga causaron el chasquido repentino, pero las Ondas de Espín estaban causando la enorme excitación. Están tan estrechamente vinculadas que, aunque la carga cambió abruptamente, los espines seguían rugiendo con actividad.

Por qué esto es importante

Este material (La4Ni3O10) es un primo de otros níquelatos que se convierten en superconductores (conducen electricidad con cero resistencia) cuando se comprimen bajo alta presión.

• La idea clave: Antes de que estos materiales puedan convertirse en superconductores, tienen que lidiar con estas "Ondas de Densidad". Este artículo nos muestra que las ondas son complejas, desordenadas y entrelazadas.
• La metáfora: Si quieres entender cómo conduce un coche (superconductividad), primero necesitas entender cómo se mueven e interactúan las piezas del motor (ondas de densidad). Este artículo nos da un mapa claro de cómo se mueven esas piezas del motor en este níquelato específico.

Resumen

• Qué hicieron: Escucharon el "latido del corazón" atómico de un cristal de níquelato mientras se enfriaba.
• Qué encontraron: A 133 K, el material cambió de estado repentinamente.
• La naturaleza del cambio: Fue un "chasquido" nítido (de primer orden) causado por ondas de carga, pero involucró ondas desordenadas y no coincidentes (inconmensurables) tanto de carga como de espín.
• La idea clave: La carga y el espín están bailando juntos en un tango complejo y entrelazado, creando un estado que compite con la superconductividad.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Ondas de Densidad de Carga y Espín Entrelazadas en el Niquelato Trilayera La$_4$Ni$_3$O$_{10}$ Reveladas por $^{139}$La NQR

Planteamiento del Problema
El reciente descubrimiento de la superconductividad en los niquelatos de fase Ruddlesden-Popper (RP) bajo presión, específicamente en La$_3$Ni$_2$O$_7$ y La$_4$Ni$_3$O$_{10}$, ha renovado el interés en los mecanismos microscópicos que gobiernan la superconductividad de alta $T_c$. En estos materiales, la superconductividad emerge tras la supresión de los órdenes de onda de densidad (DW). Si bien estudios previos mediante difracción de rayos X, dispersión de neutrones y $\mu$SR han identificado la presencia de órdenes de onda de densidad de carga (CDW) y de densidad de espín (SDW) en La$_4$Ni$_3$O$_{10}$ cerca de 140 K, diversas cuestiones críticas siguen sin resolverse. Específicamente, la naturaleza de la transición de fase (de primer orden vs. de segundo orden), la conmensurabilidad de los órdenes DW y la interacción precisa entre las fluctuaciones de CDW y SDW no se comprenden completamente. Además, existen discrepancias entre diferentes técnicas de medición con respecto al orden de la transición y la existencia de múltiples fases SDW, lo que requiere un estudio de sonda local para esclarecer los mecanismos microscópicos.

Metodología
Este estudio emplea la espectroscopia de resonancia nuclear de cuadrupolo (NQR) de $^{139}$La para investigar el entorno electrónico y magnético local en La$_4$Ni$_3$O$_{10}$ bajo presión ambiente. La investigación utiliza tanto muestras de monocristal de alta calidad como muestras policristalinas sintetizadas mediante métodos de crecimiento por fundente y sol-gel, respectivamente.

• Espectroscopia: Los espectros de NQR se adquirieron mediante el barrido de frecuencias e integrando las intensidades de eco de espín en ausencia de campo magnético externo. El estudio se centra en los sitios La(2) (ubicados fuera de las trilayas de NiO$_2$), que exhiben frecuencias cuadrupolares distintas a los sitios La(1).
• Mediciones de Relajación: La tasa de relajación espín-red ($1/T_1$) se midió utilizando el método de recuperación por saturación para sondear las fluctuaciones de espín. Los datos se ajustaron mediante una fórmula de exponencial estirada para extraer $T_1$ y el factor de estiramiento $\beta$.
• Simulación: Se realizaron simulaciones teóricas para modelar las formas de línea de NQR, incorporando contribuciones tanto de la modulación de carga (que afecta el gradiente de campo eléctrico) como de los campos magnéticos internos (derivados de la SDW) para distinguir entre órdenes conmensurados e inconmensurados.

Resultados Clave

1. Naturaleza de la Transición de Fase:

   • En muestras de monocristal, el ancho de línea de NQR y la frecuencia del sitio La(2) exhiben un cambio abrupto en $T_{DW} \approx 133$ K. Este ensanchamiento repentino y el desplazamiento de frecuencia, particularmente en la transición $\pm 5/2 \leftrightarrow \pm 7/2$, proporcionan evidencia convincente de una transición de tipo primer orden.
   • Por el contrario, las muestras policristalinas muestran un cambio más gradual por debajo de $T_{DW}$, atribuido al desorden de la muestra y a la distribución de vacantes de oxígeno.
   • Este hallazgo contrasta con resultados previos de NQR en el niquelato bilayera La$_3$Ni$_2$O$_7$, que indicaron una transición de segundo orden, sugiriendo comportamientos distintos entre los dos sistemas de niquelatos.

2. Órdenes Inconmensurados y Entrelazados:

   • Los espectros de NQR en el estado DW muestran un ensanchamiento significativo sin un desdoblamiento de línea distintivo. Esta ausencia de desdoblamiento indica que el orden DW es inconmensurado, diferenciándose del orden conmensurado observado en La$_3$Ni$_2$O$_7$.
   • El análisis del ensanchamiento de la línea y los desplazamientos de frecuencia revela que los cambios no pueden explicarse únicamente por la modulación de carga (ensanchamiento cuadrupolar) o únicamente por un campo magnético interno alineado a lo largo del eje $c$.
   • Los datos se explican mejor mediante un modelo donde el campo magnético interno ($B_{int}$) en el sitio La(2) es perpendicular al eje $c$. Esto implica que los momentos magnéticos de Ni en las capas externas están alineados a lo largo del eje $c$, lo cual es consistente con propuestas teóricas específicas.
   • La observación simultánea del ensanchamiento espectral (atribuido a CDW) y de desplazamientos/fluctuaciones de línea significativos (atribuidos a SDW) confirma la naturaleza entrelazada de los órdenes CDW y SDW.

3. Fluctuaciones de Espín y Relajación:

   • La tasa de relajación espín-red dividida por la temperatura ($1/T_1T$) exhibe un fuerte incremento en $T_{DW}$ para las muestras de monocristal.
   • A pesar de la naturaleza de primer orden de la transición (que típicamente suprime las fluctuaciones críticas), el fuerte incremento en $1/T_1T$ indica la presencia de fuertes fluctuaciones de espín originadas por la SDW por encima de la transición.
   • El factor de estiramiento $\beta$ disminuye rápidamente por debajo de $T_{DW}$, lo cual es consistente con el desarrollo de modulaciones de espín y carga.
   • A bajas temperaturas, $1/T_1T$ en La$_4$Ni$_3$O$_{10}$ retiene un valor residual sustancial (~20% del límite de alta temperatura), lo que sugiere que una parte significativa de la superficie de Fermi permanece sin brecha (ungapped). Esto contrasta con La$_3$Ni$_2$O$_7$, donde $1/T_1T$ se vuelve insignificante, implicando una superficie de Fermi completamente con brecha (gapped).

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que estos hallazgos elucidan los mecanismos microscópicos del estado DW en La$_4$Ni$_3$O$_{10}$. Específicamente, el estudio establece que:

• La transición DW en La$_4$Ni$_3$O$_{10}$ es una transición de tipo primer orden impulsada principalmente por la CDW, mientras que las fuertes fluctuaciones de espín son impulsadas por la SDW.
• Los órdenes DW son inconmensurados y entrelazados, probablemente derivados del anidamiento (nesting) de la superficie de Fermi que impide el cierre completo de la brecha de la superficie de Fermi.
• La orientación de los momentos magnéticos de Ni en las capas externas está alineada a lo largo del eje $c$, generando un campo magnético interno perpendicular a $c$ en los sitios La(2).

El artículo concluye que estos resultados proporcionan un marco crucial para comprender la competencia e interacción entre las fases de DW y superconductividad en los niquelatos superconductores, destacando la complejidad de los órdenes electrónicos en el sistema trilayera en comparación con su contraparte bilayera.