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

Utilizzando la tecnica $^{139}$La NQR, questo studio rivela che il La$_4$Ni$_3$O$_{10}$ subisce una transizione di fase di tipo primo ordine a circa 133 K, guidata da un'intricata interazione tra onde di densità di carica e di spin incommensurate, fornendo approfondimenti microscopici critici sulla relazione tra gli ordini a onda di densità e la superconduttività nei nickelati.

L'essenziale

Il quadro generale: Una danza di elettroni

Immaginate una pista da ballo affollata dove i ballerini sono gli elettroni. Nella maggior parte dei materiali, questi ballerini si muovono in modo piuttosto casuale. Ma in materiali speciali chiamati nichelati (nello specifico uno chiamato La4Ni3O10), succede qualcosa di affascinante quando la temperatura scende.

Gli elettroni smettono di ballare in modo casuale e iniziano a organizzarsi in schemi. A volte si allineano in onde di carica (dove si ammassano in alcuni punti e lasciano spazi vuoti in altri). Altre volte si allineano in onde di spin (dove le loro "direzioni" magnetiche si allineano secondo un ritmo specifico).

Gli scienziati chiamano questi schemi Onde di Densità (DW). La grande domanda a cui risponde questo articolo è: come si comportano queste due tipologie di onde e ballano insieme o separatamente?

Lo strumento: Ascoltare il "battito cardiaco"

Per capire questo, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata NQR (Risonanza Nucleare Quadrupolare).

• L'analogia: Immaginate di cercare di ascoltare uno strumento specifico in un'orchestra rumorosa. I ricercatori hanno sintonizzato la loro radio per ascoltare specificamente il "battito cardiaco" degli atomi di Lantanio (La) all'interno del materiale.
• La configurazione: Hanno testato due tipi di campioni:
  1. Policristallino: Come un mucchio di pezzi di puzzle rotti incollati insieme (molti piccoli cristalli con diverse orientazioni).
  2. Monocristallo: Come un unico, perfetto, grande cristallo (tutti gli atomi sono perfettamente allineati).
• Perché è importante: Il campione monocristallino è come una foto ad alta definizione, mentre il campione policristallino è un'istantanea sfocata. Il campione di alta qualità ha rivelato dettagli che quello sfocato aveva mancato.

La scoperta: Uno "scatto" improvviso

Mentre raffreddavano il materiale, hanno osservato cosa accadeva al "battito cardiaco" degli atomi di Lantanio intorno a 133 Kelvin (circa -140 °C).

1. Lo "scatto" (Transizione del primo ordine):
   Nel campione monocristallino perfetto, il segnale non è cambiato gradualmente. È scattato istantaneamente.

   • L'analogia: Pensate all'acqua che diventa ghiaccio. Di solito, l'acqua impiega del tempo per congelare, ma qui è come se l'acqua si trasformasse istantaneamente in un blocco di ghiaccio nel momento esatto in cui ha raggiunto il punto di congelamento. Questo suggerisce un cambiamento molto netto e improvviso dello stato del materiale.
   • Nota: Nel campione "sfocato" policristallino, questo scatto appariva come uno scivolamento lento perché i piccoli cristalli non stavano tutti congelando esattamente nello stesso momento.

2. Il modello "disordinato" (Onde incommensurate):
   Quando è avvenuta la transizione, le linee del segnale sono diventate molto larghe e confuse.

   • L'analogia: Immaginate una banda che marcia. Se marciano in perfetto sincronismo (commensurata), vedete una linea pulita e netta. Se marciano con ritmi leggermente diversi che non si adattano perfettamente alla dimensione dello stadio (incommensurata), la linea appare sfocata e disordinata.
   • La scoperta: Le onde in questo materiale sono "disordinate" (incommensurate). Non si adattano perfettamente alla griglia cristallina.

3. Il "doppio problema" (Carica e Spin intrecciati):
   I ricercatori hanno notato che il segnale cambiava in un modo che non poteva essere spiegato solo dalle onde di carica O solo dalle onde di spin. Era necessario entrambi.

   • L'analogia: È come una coppia che balla il tango. Non si può spiegare il movimento guardando solo i piedi dell'uomo (carica) o solo i piedi della donna (spin). Si muovono insieme in un modo complesso e intrecciato.
   • La conclusione: Il materiale presenta sia onde di densità di carica che onde di densità di spin che avvengono contemporaneamente, e si influenzano a vicenda.

Il "calore" del momento (Fluttuazioni di Spin)

I ricercatori hanno anche misurato la velocità con cui gli atomi si rilassano dopo essere stati eccitati (chiamata rilassamento spin-reticolo).

• La scoperta: Proprio nel momento in cui è avvenuto lo "scatto" (133 K), gli atomi sono diventati molto "eccitati" o "caldi" in termini di fluttuazioni magnetiche.
• Il paradosso: Di solito, se un cambiamento avviene improvvisamente (come uno scatto del primo ordine), l'eccitazione (fluttuazioni) dovrebbe essere bassa. Ma qui, l'eccitazione era enorme.
• La spiegazione: L'articolo suggerisce che le Onde di Carica abbiano causato lo scatto improvviso, ma le Onde di Spin stessero causando la grande eccitazione. Sono così strettamente collegate che, nonostante la carica sia cambiata bruscamente, gli spin erano ancora in una fase di intensa attività.

Perché questo è importante

Questo materiale (La4Ni3O10) è un "cugino" di altri nichelati che diventano superconduttori (conducono elettricità con resistenza zero) quando vengono compressi sotto alta pressione.

• Il punto chiave: Prima che questi materiali possano diventare superconduttori, devono gestire queste "Onde di Densità". Questo articolo ci mostra che le onde sono complesse, disordinate e intrecciate.
• La metafora: Se volete capire come guida un'auto (superconduttività), prima dovete capire come si muovono e interagiscono i componenti del motore (onde di densità). Questo articolo ci fornisce una mappa chiara di come si muovono quei componenti in questo specifico nichelato.

Riassunto

• Cosa hanno fatto: Hanno ascoltato il "battito cardiaco" atomico di un cristallo di nichelato mentre si raffreddava.
• Cosa hanno scoperto: A 133 K, il materiale ha cambiato stato improvvisamente.
• La natura del cambiamento: È stato uno scatto netto (del primo ordine) causato dalle onde di carica, ma ha coinvolto onde disordinate e non corrispondenti (incommensurate) sia di carica che di spin.
• L'intuizione chiave: Carica e spin stanno ballando insieme in un tango complesso e intrecciato, creando uno stato che compete con la superconduttività.

Sommario tecnico

Sintesi Tecnica: Onde di Densità di Carica e di Spin Intrecciate nel Nickelato Trilayero La$_4$Ni$_3$O$_{10}$ Rivelate dalla $^{139}$La NQR

Problematica
La recente scoperta della superconduttività nei nickelati di fase Ruddlesden-Popper (RP) sotto pressione, specificamente La$_3$Ni$_2$O$_7$ e La$_4$Ni$_3$O$_{10}$, ha rinnovato l'interesse per i meccanismi microscopici che governano la superconduttività ad alta $T_c$. In questi materiali, la superconduttività emerge con la soppressione degli ordini di onda di densità (DW). Sebbene studi precedenti mediante diffrazione di raggi X, scattering di neutroni e $\mu$SR abbiano identificato la presenza di ordini di onda di densità di carica (CDW) e di densità di spin (SDW) in La$_4$Ni$_3$O$_{10}$ vicino a 140 K, diverse questioni critiche rimangono irrisolte. Nello specifico, la natura della transizione di fase (del primo o del secondo ordine), la commensurabilità degli ordini DW e l'esatto interplay tra le fluttuazioni CDW e SDW non sono ancora pienamente compresi. Inoltre, esistono discrepanze tra diverse tecniche di misura riguardo all'ordine della transizione e all'esistenza di molteplici fasi SDW, rendendo necessario un approccio di sonda locale per chiarire i meccanismi microscopici.

Metodologia
Questo studio impiega la spettroscopia di risonanza nucleare quadrupolare (NQR) del $^{139}$La per investigare l'ambiente elettronico e magnetico locale in La$_4$Ni$_3$O$_{10}$ sotto pressione ambiente. La ricerca utilizza campioni sia monocristallini di alta qualità che policristallini, sintetizzati tramite crescita in flusso e metodi sol-gel, rispettivamente.

• Spettroscopia: Gli spettri NQR sono stati acquisiti tramite scansione delle frequenze e integrazione delle intensità dell'eco di spin in assenza di campo magnetico esterno. Lo studio si concentra sui siti La(2) (situati all'esterno dei trilayer NiO$_2$), che esibiscono frequenze quadrupolari distinte rispetto ai siti La(1).
• Misure di rilassamento: Il tasso di rilassamento spin-reticolo ($1/T_1$) è stato misurato utilizzando il metodo di saturazione-recupero per sondare le fluttuazioni di spin. I dati sono stati adattati utilizzando una formula a esponenziale estesa per estrarre $T_1$ e il fattore di stretching $\beta$.
• Simulazione: Sono state eseguite simulazioni teoriche per modellare le forme delle linee NQR, incorporando i contributi sia dalla modulazione di carica (che influenza il gradiente del campo elettrico) sia dai campi magnetici interni (derivanti da SDW) per distinguere tra ordini commensurati e incommensurati.

Risultati Chiave

1. Natura della Transizione di Fase:

   • Nei campioni monocristallini, la larghezza di riga NQR e la frequenza del sito La(2) mostrano un cambiamento brusco a $T_{DW} \approx 133$ K. Questo improvviso allargamento e lo spostamento di frequenza, in particolare nella transizione $\pm 5/2 \leftrightarrow \pm 7/2$, forniscono una prova convincente di una transizione di fase di tipo primo ordine.
   • Al contrario, i campioni policristallini mostrano un cambiamento più graduale al di sotto di $T_{DW}$, attribuito al disordine del campione e alle distribuzioni di vacanze di ossigeno.
   • Questa scoperta contrasta con i precedenti risultati NQR nel bilayer La$_3$Ni$_2$O$_7$, che indicavano una transizione del secondo ordine, suggerendo comportamenti distinti tra i due sistemi di nickelati.

2. Ordini Incommensurati e Intrecciati:

   • Gli spettri NQR nello stato DW mostrano un significativo allargamento senza una netta scissione delle linee (splitting). Questa assenza di scissione indica che l'ordine DW è incommensurato, differendo dall'ordine commensurato osservato in La$_3$Ni$_2$O$_7$.
   • L'analisi dell'allargamento della riga e degli spostamenti di frequenza rivela che i cambiamenti non possono essere spiegati esclusivamente dalla modulazione di carica (allargamento quadrupolare) o esclusivamente da un campo magnetico interno allineato lungo l'asse $c$.
   • I dati sono meglio spiegati da un modello in cui il campo magnetico interno ($B_{int}$) al sito La(2) è perpendicolare all'asse $c$. Ciò implica che i momenti magnetici del Ni sugli strati esterni sono allineati lungo l'asse $c$, in linea con specifiche proposte teoriche.
   • L'osservazione simultanea dell'allargamento spettrale (attribuito a CDW) e dei significativi spostamenti di linea/fluttuazioni (attribuito a SDW) conferma la natura intrecciata degli ordini CDW e SDW.

3. Fluttuazioni di Spin e Rilassamento:

   • Il tasso di rilassamento spin-reticolo diviso per la temperatura ($1/T_1T$) mostra un forte incremento a $T_{DW}$ per i campioni monocristallini.
   • Nonostante la natura del primo ordine della transizione (che tipicamente sopprime le fluttuazioni critiche), il forte incremento in $1/T_1T$ indica la presenza di forti fluttuazioni di spin derivanti dall'ordine SDW sopra la transizione.
   • Il fattore di stretching $\beta$ diminuisce rapidamente al di sotto di $T_{DW}$, in modo coerente con lo sviluppo di modulazioni di spin e carica.
   • Alle basse temperature, $1/T_1T$ in La$_4$Ni$_3$O$_{10}$ mantiene un valore residuo sostanziale (~20% del limite ad alta temperatura), suggerendo che una parte significativa della superficie di Fermi rimane non gapata. Ciò contrasta con La$_3$Ni$_2$O$_7$, dove $1/T_1T$ diventa trascurabile, implicando una superficie di Fermi completamente gapata.

Significato e Rivendicazioni
Gli autori affermano che questi risultati elucidano i meccanismi microscopici dello stato DW in La$_4$Ni$_3$O$_{10}$. Nello specifico, lo studio stabilisce che:

• La transizione DW in La$_4$Ni$_3$O$_{10}$ è una transizione di tipo primo ordine guidata principalmente dalla CDW, mentre le forti fluttuazioni di spin sono guidate dalla SDW.
• Gli ordini DW sono incommensurati e intrecciati, probabilmente derivanti dal nesting della superficie di Fermi che impedisce la completa gapatura della superficie di Fermi.
• L'orientamento dei momenti magnetici del Ni sugli strati esterni è allineato lungo l'asse $c$, generando un campo magnetico interno perpendicolare a $c$ nei siti La(2).

L'articolo conclude che questi risultati forniscono un quadro cruciale per comprendere la competizione e l'interazione tra le fasi DW e superconduttive, evidenziando la complessità degli ordini elettronici nel sistema trilayer rispetto al suo controparte bilayer.