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

Grâce à la RMN de quadripole nucléaire du $^{139}$La, cette étude révèle que le La$_4$Ni$_3$O$_{10}$ subit une transition de phase de type premier ordre aux alentours de 133 K, pilotée par une interaction complexe entre des ondes de densité de charge et de spin incommensurables, fournissant ainsi des aperçus microscopiques critiques sur la relation entre les ordres d'ondes de densité et la supraconductivité dans les nickelates.

L'essentiel

La vue d'ensemble : Une danse d'électrons

Imaginez une piste de danse bondée où les danseurs sont des électrons. Dans la plupart des matériaux, ces danseurs se déplacent de manière assez aléatoire. Mais dans certains matériaux spéciaux appelés nickelates (plus précisément un appelé La4Ni3O10), quelque chose de fascinant se produit lorsque la température descend.

Les électrons cessent de danser de manière aléatoire et commencent à s'organiser en motifs. Parfois, ils s'alignent en ondes de charge (où ils s'agglutinent à certains endroits et laissent des vides à d'autres). D'autres fois, ils s'alignent en ondes de spin (où leurs directions magnétiques s'alignent selon un rythme spécifique).

Les scientifiques appellent ces motifs des ondes de densité (DW). La grande question à laquelle cet article répond est : Comment ces deux types d'ondes se comportent-ils, et dansent-elles ensemble ou séparément ?

L'outil : Écouter le « battement de cœur »

Pour comprendre cela, les chercheurs ont utilisé une technique appelée RMN (Résonance Magnétique Nucléaire).

• L'analogie : Imaginez essayer d'entendre un instrument spécifique dans un orchestre bruyant. Les chercheurs ont réglé leur radio pour écouter spécifiquement le « battement de cœur » des atomes de Lanthane (La) à l'intérieur du matériau.
• L'installation : Ils ont testé deux types d'échantillons :
  1. Poly-cristallin : Comme un tas de morceaux de puzzle cassés et collés ensemble (beaucoup de petits cristaux avec des orientations différentes).
  2. Mono-cristallin : Comme un seul cristal géant et parfait (tous les atomes sont parfaitement alignés).
• Pourquoi c'est important : L'échantillon mono-cristallin est comme une photo en haute définition, tandis que l'échantillon poly-cristallin est un cliché flou. L'échantillon de haute qualité a révélé des détails que le flou avait manqués.

La découverte : Un « déclic » soudain

Alors qu'ils refroidissaient le matériau, ils ont observé ce qui se passait pour le « battement de cœur » des atomes de Lanthane autour de 133 Kelvin (environ -140 °C).

1. Le « déclic » (Transition de premier ordre) :
   Dans l'échantillon mono-cristallin parfait, le signal n'a pas changé progressivement. Il a eu un déclic instantané.

   • L'analogie : Pensez à l'eau qui gèle pour devenir de la glace. Habituellement, la congélation prend du temps, mais ici, c'est comme si l'eau se transformait instantanément en un bloc de glace dès qu'elle atteignait le point de congélation. Cela suggère un changement très net et soudain de l'état du matériau.
   • Note : Dans l'échantillon poly-cristallin « flou », ce déclic ressemblait à un glissement progressif parce que les petits cristaux ne gelaient pas tous exactement au même moment.

2. Le motif « désordonné » (Ondes incommensurables) :
   Lorsque la transition s'est produite, les lignes du signal sont devenues très larges et diffuses.

   • L'analogie : Imaginez une fanfare. Si les musiciens marchent en parfaite synchronisation (commensurable), vous voyez une ligne nette et précise. S'ils marchent sur des rythmes légèrement différents qui ne correspondent pas tout à fait à la taille du stade (incommensurable), la ligne paraît floue et désordonnée.
   • La découverte : Les ondes dans ce matériau sont « désordonnées » (incommensurables). Elles ne s'insèrent pas parfaitement dans la grille cristalline.

3. Le « double problème » (Charge et Spin entrelacés) :
   Les chercheurs ont remarqué que le signal changeait d'une manière qui ne pouvait être expliquée par les ondes de charge OU par les ondes de spin uniquement. Il fallait les deux.

   • L'analogie : C'est comme un couple dansant le tango. Vous ne pouvez pas expliquer le mouvement en regardant seulement les pieds de l'homme (charge) ou seulement les pieds de la femme (spin). Ils bougent ensemble de manière complexe et entrelacée.
   • La conclusion : Le matériau possède à la fois des ondes de densité de charge et des ondes de densité de spin qui se produisent simultanément, et elles s'influencent mutuellement.

La « chaleur » du moment (Fluctuations de spin)

Les chercheurs ont également mesuré la vitesse à laquelle les atomes se relaxent après avoir été excités (appelée relaxation spin-réseau).

• La découverte : Juste au moment où le « déclic » s'est produit (133 K), les atomes sont devenus très « excités » ou « chauds » en termes de fluctuations magnétiques.
• Le paradoxe : Habituellement, si un changement se produit soudainement (comme un déclic de premier ordre), l'excitation (les fluctuations) devrait être faible. Mais ici, l'excitation était énorme.
• L'explication : L'article suggère que les Ondes de Charge ont provoqué le déclic soudain, mais que les Ondes de Spin provoquaient l'énorme excitation. Elles sont si étroitement liées que même si la charge a changé brusquement, les spins étaient toujours en pleine activité.

Pourquoi cela importe

Ce matériau (La4Ni3O10) est un cousin d'autres nickelates qui deviennent des supraconducteurs (conduisent l'électricité sans aucune résistance) lorsqu'ils sont comprimés sous haute pression.

• L'idée à retenir : Avant que ces matériaux ne puissent devenir supraconducteurs, ils doivent faire face à ces « ondes de densité ». Cet article nous montre que ces ondes sont complexes, désordonnées et entrelacées.
• La métaphore : Si vous voulez comprendre comment une voiture roule (supraconductivité), vous devez d'abord comprendre comment les pièces du moteur (ondes de densité) bougent et interagissent. Cet article nous donne une carte claire de la façon dont ces pièces de moteur bougent dans ce nickelate spécifique.

Résumé

• Ce qu'ils ont fait : Écouter le « battement de cœur » atomique d'un cristal de nickelate lors de son refroidissement.
• Ce qu'ils ont trouvé : À 133 K, le matériau a soudainement changé d'état.
• La nature du changement : Il s'agissait d'un « déclic » net (premier ordre) causé par des ondes de charge, mais impliquant des ondes désordonnées et non correspondantes (incommensurables) de charge et de spin.
• L'enseignement clé : La charge et le spin dansent ensemble dans un tango complexe et entrelacé, créant un état qui entre en compétition avec la supraconductivité.

Résumé technique

Résumé technique : Ondes de densité de charge et de spin entrelacées dans le nickelate trilatère $\text{La}_4\text{Ni}_3\text{O}_{10}$ révélées par la RQN du $^{139}\text{La}$

Énoncé du problème
La découverte récente de la supraconductivité dans les nickelates de phase Ruddlesden-Popper (RP) sous pression, spécifiquement $\text{La}_3\text{Ni}_2\text{O}_7$ et $\text{La}_4\text{Ni}_3\text{O}_{10}$, a renouvelé l'intérêt pour les mécanismes microscopiques régissant la supraconductivité à haute $T_c$. Dans ces matériaux, la supraconductivité émerge lors de la suppression des ordres d'ondes de densité (DW). Bien que des études antérieures utilisant la diffraction des rayons X, la diffusion de neutrons et la $\mu$SR aient identifié la présence d'ordres d'ondes de densité de charge (CDW) et d'ondes de densité de spin (SDW) dans $\text{La}_4\text{Ni}_3\text{O}_{10}$ près de 140 K, plusieurs questions critiques restent sans réponse. Plus précisément, la nature de la transition de phase (premier ordre vs second ordre), la commensurabilité des ordres DW et l'interrelation précise entre les fluctuations CDW et SDW ne sont pas encore pleinement comprises. De plus, des divergences existent entre différentes techniques de mesure concernant l'ordre de la transition et l'existence de multiples phases SDW, nécessitant une sonde locale pour clarifier les mécanismes microscopiques.

Méthodologie
Cette étude emploie la spectroscopie de résonance de quadripôle nucléaire (RQN) du $^{139}\text{La}$ pour étudier l'environnement électronique et magnétique local dans $\text{La}_4\text{Ni}_3\text{O}_{10}$ sous pression ambiante. La recherche utilise des échantillons de haute qualité, tant monocristallins que polycristallins, synthétisés via des méthodes de croissance par flux et de sol-gel.

• Spectroscopie : Les spectres RQN ont été acquis en balayant les fréquences et en intégrant les intensités d'écho de spin dans un champ magnétique nul. L'étude se concentre sur les sites La(2) (situés à l'extérieur des trilatères $\text{NiO}_2$), qui présentent des fréquences quadripolaires distinctes de celles des sites La(1).
• Mesures de relaxation : Le taux de relaxation spin-réseau ($1/T_1$) a été mesuré à l'aide de la méthode de saturation-recouvrement pour sonder les fluctuations de spin. Les données ont été ajustées à l'aide d'une formule exponentielle étirée pour extraire $T_1$ et le facteur d'étirement $\beta$.
• Simulation : Des simulations théoriques ont été réalisées pour modéliser les formes de raies RQN, en incorporant les contributions de la modulation de charge (affectant le gradient de champ électrique) et des champs magnétiques internes (provenant de la SDW) afin de distinguer les ordres commensurables et incommensurables.

Résultats clés

1. Nature de la transition de phase :

   • Dans les échantillons monocristallins, la largeur de raie et la fréquence du site La(2) présentent un changement brusque à $T_{DW} \approx 133$ K. Cet élargissement soudain et ce décalage de fréquence, particulièrement pour la transition $\pm 5/2 \leftrightarrow \pm 7/2$, constituent une preuve convaincante d'une transition de type premier ordre.
   • En revanche, les échantillons polycristallins montrent un changement plus graduel sous $T_{DW}$, attribué au désordre de l'échantillon et aux distributions de lacunes d'oxygène.
   • Cette découverte contraste avec les résultats RQN précédents dans le nickelate bilatère $\text{La}_3\text{Ni}_2\text{O}_7$, qui indiquaient une transition de second ordre, suggérant des comportements distincts entre les deux systèmes de nickelates.

2. Ordres incommensurables et entrelacés :

   • Les spectres RQN dans l'état DW montrent un élargissement significatif sans séparation de raies distincte. Cette absence de séparation indique que l'ordre DW est incommensurable, contrairement à l'ordre commensurable observé dans $\text{La}_3\text{Ni}_2\text{O}_7$.
   • L'analyse de l'élargissement des raies et des décalages de fréquence révèle que les changements ne peuvent être expliqués uniquement par la modulation de charge (élargissement quadripolaire) ou uniquement par un champ magnétique interne aligné selon l'axe $c$.
   • Les données sont mieux expliquées par un modèle où le champ magnétique interne ($B_{int}$) au site La(2) est perpendiculaire à l'axe $c$. Cela implique que les moments magnétiques du Ni sur les couches externes sont alignés le long de l'axe $c$, ce qui est cohérent avec des propositions théoriques spécifiques.
   • L'observation simultanée de l'élargissement spectral (attribué à la CDW) et des décalages/fluctuations de raie importants (attribués à la SDW) confirme la nature entrelacée des ordres CDW et SDW.

3. Fluctuations de spin et relaxation :

   • Le taux de relaxation spin-réseau divisé par la température ($1/T_1T$) présente un fort renforcement à $T_{DW}$ pour les échantillons monocristallins.
   • Malgré la nature de premier ordre de la transition (qui supprime typiquement les fluctuations critiques), le fort renforcement de $1/T_1T$ indique la présence de fortes fluctuations de spin provenant de la SDW au-dessus de la transition.
   • Le facteur d'étirement $\beta$ diminue rapidement sous $T_{DW}$, ce qui est cohérent avec le développement des modulations de spin et de charge.
   • À basse température, $1/T_1T$ dans $\text{La}_4\text{Ni}_3\text{O}_{10}$ conserve une valeur résiduelle substantielle (~20 % de la limite de haute température), suggérant qu'une partie importante de la surface de Fermi reste non gapée. Cela contraste avec $\text{La}_3\text{Ni}_2\text{O}_7$, où $1/T_1T$ devient négligeable, impliquant une surface de Fermi totalement gapée.

Signification et revendications
Les auteurs affirment que ces découvertes élucident les mécanismes microscopiques de l'état DW dans $\text{La}_4\text{Ni}_3\text{O}_{10}$. Plus précisément, l'étude établit que :

• La transition DW dans $\text{La}_4\text{Ni}_3\text{O}_{10}$ est une transition de type premier ordre pilotée principalement par la CDW, tandis que les fortes fluctuations de spin sont pilotées par la SDW.
• Les ordres DW sont incommensurables et entrelacés, résultant probablement du nesting de la surface de Fermi qui empêche un gap complet de la surface de Fermi.
• L'orientation des moments magnétiques du Ni sur les couches externes est alignée le long de l'axe $c$, générant un champ magnétique interne perpendiculaire à $c$ aux sites La(2).

L'article conclut que ces résultats fournissent un cadre crucial pour comprendre la compétition et l'interaction entre les phases DW et supraconductrices, soulignant la complexité des ordres électroniques dans le système trilatère par rapport à son homologue bilatère.