$^{139}$La nuclear quadrupole resonance studies of pressurized La$_4$Ni$_3$O$_{10}$

Nella ricerca di come i materiali conducano l'elettricità senza alcuna perdita, gli scienziati si sono concentrati da tempo su una classe speciale di sostanze note come superconduttori. Questi sono materiali che, quando raffreddati a temperature molto basse, permettono alla corrente elettrica di fluire con resistenza zero, una proprietà che potrebbe rivoluzionare tutto, dalle reti elettriche all'imaging medico. Per decenni, i superconduttori più famosi erano fatti di rame e ossigeno, ma recentemente, una nuova famiglia di materiali contenenti nichel ha catturato l'attenzione dei ricercatori. Questi composti a base di nichel, disposti in specifiche strutture stratificate, hanno mostrato la capacità di diventare superconduttori quando vengono schiacciati sotto un'immensa pressione, raggiungendo temperature molto più alte di quanto precedentemente ritenuto possibile per questo tipo di materiale. Tuttavia, prima che questi materiali possano diventare superconduttori, spesso subiscono un diverso tipo di trasformazione in cui gli elettroni si dispongono in schemi ripetitivi di carica o spin, congelando efficacemente il flusso di elettricità. Comprendere come questi schemi si formino, come interagiscano tra loro e come scompaiano sotto pressione è fondamentale per capire come rendere questi materiali superconduttori a temperature ancora più elevate.

Un team di ricercatori ha ora scrutato nel cuore di uno di questi composti di nichel, un materiale chiamato La4Ni3O10, per vedere esattamente come si comportano questi schemi elettronici. Utilizzando una tecnica che ascolta i piccoli sussurri magnetici degli atomi all'interno del cristallo, hanno scoperto che il materiale non passa semplicemente da uno stato normale a uno superconduttore. Invece, attraversa una fase complessa in cui due diversi tipi di ordini elettronici, uno riguardante gli spin magnetici e l'altro la carica elettrica, si intrecciano strettamente. Questa scoperta sfida le idee precedenti secondo cui questi due ordini potessero essere separati o indipendenti, suggerendo invece che siano profondamente legati in questo specifico materiale.

I ricercatori hanno studiato un cristallo di alta qualità di La4Ni3O10, che è costruito da strati di nichel e ossigeno racchiusi tra strati di lantanio. Hanno utilizzato un metodo chiamato risonanza quadrupolare nucleare, che agisce come un microfono altamente sensibile che ascolta i nuclei atomici. In questo caso, si sono concentrati sugli atomi di lantanio, che occupano due diverse posizioni all'interno della struttura cristallina. Sintonizzandosi sulle frequenze specifiche a cui questi atomi vibrano, il team è stato in grado di rilevare sottili cambiamenti nell'ambiente magnetico ed elettrico locale, rivelando come gli elettroni si organizzavano al diminuire della temperatura del materiale.

A pressione normale, mentre i ricercatori raffreddavano il materiale, hanno notato prima l'emergere di un ordine elettronico a corto raggio a una temperatura di circa 150 Kelvin. Questo è uno stato in cui gli schemi elettronici sono presenti ma esistono solo su piccole distanze, come increspature su uno stagno che non si sono ancora diffuse su tutta la superficie. Man mano che la temperatura scendeva ulteriormente verso i 139 Kelvin, queste increspature crescevano in un ordine a lungo raggio che si estendeva attraverso l'intero cristallo. I dati hanno mostrato che l'ordine dello spin magnetico e l'ordine della carica elettrica apparivano contemporaneamente e si erano intrecciati, il che significa che non potevano essere separati o compresi indipendentemente. Questa è una significativa deviazione da quanto osservato in un simile composto di nichel a due strati, dove questi due tipi di ordini sembravano agire indipendentemente l'uno dall'altro.

Per capire quanto fossero robusti questi schemi, il team ha posto il cristallo sotto una pressione costante e alta di 2,3 gigapascal, ovvero circa la pressione che si trova nelle profondità della crosta terrestre. Sotto questa compressione, il comportamento del materiale è cambiato in modo rivelatore. La temperatura alla quale appariva l'ordine a lungo raggio, su scala cristallina, è scesa bruscamente, calando di circa 10 Kelvin per ogni gigapascal di pressione applicata. Al contrario, la temperatura per l'ordine a corto raggio, locale, diminuiva molto più lentamente, scendendo di circa 1 Kelvin per gigapascal. Questa differenza nella velocità con cui i due stati rispondevano alla pressione suggerisce che l'ordine a lungo raggio sia molto più fragile ed è più facile da sopprimere rispetto alle fluttuazioni a corto raggio.

Lo studio ha anche rivelato che, all'aumentare della pressione, la capacità del materiale di diventare superconduttore era probabilmente ostacolata da questa competizione tra gli schemi elettronici e lo stato superconduttore. Nel composto di nichel a due strati, la pressione sembrava favorire l'ordine magnetico, che non competeva con la superconduttività. Ma in questo materiale a tre strati, la natura intrecciata degli ordini di spin e di carica significava che essi combattevano più direttamente contro lo stato superconduttore. I ricercatori hanno concluso che la soppressione di questi ordini intrecciati tramite la pressione è un fattore chiave nel comportamento del materiale, offrendo un quadro più chiaro del tiro alla fune microscopico che determina se un materiale diventi un superconduttore o rimanga un isolante.

Mappando esattamente come questi schemi elettronici si formano ed evolvono, i ricercatori hanno fornito un'istantanea dettagliata della vita interna di questo composto di nichel. Hanno confermato che gli ordini elettronici a corto raggio appaiono ben prima di quelli a lungo raggio, e che questi due tipi di ordini sono inestricabilmente legati. Questo lavoro non descrive solo un singolo materiale; aiuta a perfezionare la comprensione più ampia di come i comportamenti elettronici complessi competano nei nichelati stratificati. Le scoperte suggeriscono che, per sbloccare il pieno potenziale di questi materiali per la superconduttività ad alta temperatura, gli scienziati devono imparare come gestire o sopprimere questi schemi elettronici intrecciati, che attualmente rappresentano un ostacolo allo stato superconduttore. Le misurazioni precise di come la pressione influenzi questi diversi ordini forniscono un nuovo insieme di indizi per teorici ed sperimentali mentre continuano a esplorare la frontiera dei materiali quantistici.