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

Utilizando $^{139}$La NQR, este estudo revela que o La$_4$Ni$_3$O$_{10}$ sofre uma transição de fase do tipo primeira ordem a aproximadamente 133 K, impulsionada por uma interação intrincada entre ondas de densidade de carga e de spin inconmensuráveis, fornecendo percepções microscópicas críticas sobre a relação entre ordens de ondas de densidade e a supercondutividade em níquelatos.

O essencial

O Panorama Geral: Uma Dança de Elétrons

Imagine uma pista de dança lotada onde os dançarinos são elétrons. Na maioria dos materiais, esses dançarinos se movem de forma um tanto aleatória. Mas em materiais especiais chamados níquelatos (especificamente um chamado La4Ni3O10), algo fascinante acontece quando a temperatura cai.

Os elétrons param de dançar aleatoriamente e começam a se organizar em padrões. Às vezes, eles se alinham em ondas de carga (onde se agrupam em alguns pontos e deixam lacunas em outros). Outras vezes, eles se alinham em ondas de spin (onde suas "direções" magnéticas se alinham em um ritmo específico).

Os cientistas chamam esses padrões de Ondas de Densidade (DW). A grande questão que este artigo responde é: Como esses dois tipos de ondas se comportam, e elas dançam juntas ou separadamente?

A Ferramenta: Ouvindo o "Batimento Cardíaco"

Para descobrir isso, os pesquisadores usaram uma técnica chamada NQR (Ressonância de Quadrupolo Nuclear).

• A Analogia: Imagine tentar ouvir um instrumento específico em uma orquestra barulhenta. Os pesquisadores sintonizaram seu rádio para ouvir especificamente o "batimento cardíaco" dos átomos de Lantânio (La) dentro do material.
• A Configuração: Eles testaram dois tipos de amostras:
  1. Policristalina: Como uma pilha de peças de quebra-cabeça quebradas coladas (muitos pequenos cristais com diferentes orientações).
  2. Monocristal: Como um cristal gigante e perfeito (todos os átomos estão perfeitamente alinhados).
• Por que isso importa: A amostra de monocristal é como uma foto de alta definição, enquanto a amostção policristal é um retrato borrado. A amostra de alta qualidade revelou detalhes que a borrada não conseguiu captar.

A Descoberta: Um "Estalo" Repentino

Enquanto resfriavam o material, eles observaram o que acontecia com o "batimento cardíaco" dos átomos de Lantânio em torno de 133 Kelvin (cerca de -140°C).

1. O "Estalo" (Transição de Primeira Ordem):
   Na amostra de monocristal perfeita, o sinal não mudou lentamente. Ele estalou instantaneamente.

   • Analogia: Pense na água congelando em gelo. Normalmente, leva tempo para congelar, mas aqui, é como se a água se transformasse instantaneamente em um bloco de gelo no momento em que atingiu o ponto de congelamento. Isso sugere uma mudança muito nítida e súbita no estado do material.
   • Nota: Na amostra policristal "borrada", esse estalo pareceu um deslizamento lento porque os minúsculos cristais não estavam todos congelando exatamente no mesmo momento.

2. O Padrão "Bagunçado" (Ondas Incomensuráveis):
   Quando a transição ocorreu, as linhas do sinal ficaram muito largas e nebulosas.

   • Analogia: Imagine uma banda de marcha. Se eles marcharem em um passo perfeito (comensurável), você vê uma linha limpa e nítida. Se estiverem marchando em ritmos ligeiramente diferentes que não combinam exatamente com o tamanho do estádio (incomensurável), a linha parecerá borrada e bagunçada.
   • A Descoberta: As ondas neste material são "bagunçadas" (incomensuráveis). Elas não se encaixam perfeitamente na grade do cristal.

3. O "Problema Duplo" (Carga e Spin Entrelaçados):
   Os pesquisadores notaram que o sinal mudou de uma forma que não poderia ser explicada apenas por ondas de carga OU apenas por ondas de spin. Era necessário ambos.

   • A Analogia: É como um casal dançando tango. Você não pode explicar o movimento olhando apenas para os pés do homem (carga) ou apenas para os pés da mulher (spin). Eles estão se movindo juntos de uma forma complexa e entrelaçada.
   • A Conclusão: O material possui tanto ondas de densidade de carga quanto ondas de densidade de spin acontecendo ao mesmo tempo, e elas estão influenciando uma à outra.

O "Calor" do Momento (Flutuações de Spin)

Os pesquisadores também mediram o quão rápido os átomos relaxam após serem excitados (chamado de relaxação spin-rede).

• A Descoberta: Exatamente no momento em que o "estalo" aconteceu (133 K), os átomos ficaram muito "excitados" ou "quentes" em termos de flutuações magnéticas.
• O Paradoxo: Normalmente, se uma mudança acontece subitamente (como um estalo de primeira ordem), a excitação (flutuações) deveria ser baixa. Mas aqui, a excitação foi enorme.
• A Explicação: O artigo sugere que as Ondas de Carga causaram o estalo repentino, mas as Ondas de Spin estavam causando a enorme excitação. Elas estão tão fortemente ligadas que, embora a carga tenha mudado abruptamente, os spins ainda estavam em plena atividade.

Por Que Isso Importa

Este material (La4Ni3O10) é um primo de outros níquelatos que se tornam supercondutores (conduzem eletricidade com resistência zero) quando espremidos sob alta pressão.

• A Lição: Antes que esses materiais possam se tornar supercondutores, eles precisam lidar com essas "Ondas de Densidade". Este artigo nos mostra que as ondas são complexas, bagunçadas e entrelaçadas.
• A Metáfora: Se você quer entender como um carro dirige (supercondutividade), primeiro precisa entender como as peças do motor (ondas de densidade) estão se movendo e interagindo. Este artigo nos dá um mapa claro de como essas peças do motor estão se movendo neste níquelato específico.

Resumo

• O que fizeram: Ouviram o "batimento cardíico" atômico de um cristal de níquelato enquanto ele esfriava.
• O que descobriram: Aos 133 K, o material mudou de estado subitamente.
• A Natureza da Mudança: Foi um "estalo" nítido (primeira ordem) causado por ondas de carga, mas envolveu ondas bagunçadas e não correspondentes (incomensuráveis) de carga e spin.
• O Insight Principal: Carga e spin estão dançando juntos em um tango complexo e entrelaçado, criando um estado que compete com a supercondutividade.

Resumo técnico

Resumo Técnico: Ondas de Densidade de Carga e Spin Entrelaçadas em la de Ni$_3$O$_{10}$ Trilag de Níquel Reveladas por $^{139}$La NQR

Definição do Problema
A descoberta recente de supercondutividade em níquelatos de fase Ruddlesden-Popper (RP) sob pressão, especificamente La$_3$Ni$_2$O$_7$ e La$_4$Ni$_3$O$_{10}$, renovou o interesse nos mecanismos microscópicos que governam a supercondutividade de alta $T_c$. Nestes materiais, a supercondutividade emerge com a supressão de ordens de onda de densidade (DW). Embora estudos anteriores usando difração de raios X, espalhamento de nêutrons e $\mu$SR tenham identificado a presença de ordens de onda de densidade de carga (CDW) e de densidade de spin (SDW) em La$_4$Ni$_3$O$_{10}$ próximo a 140 K, várias questões críticas permanecem não resolvidas. Especificamente, a natureza da transição de fase (primeira ordem vs. segunda ordem), a comensurabilidade das ordens DW e a interdependência precisa entre as flutuações de CDW e SDW não são totalmente compreendidas. Além disso, existem discrepâncias entre diferentes técnicas de medição em relação à ordem da transição e à existência de múltiplas fases de SDW, necessitando de uma sonda local para esclarecer os mecanismos microscópicos.

Metodologia
Este estudo emprega espectroscopia de ressonância nuclear quadrupolar (NQR) de $^{139}$La para investigar o ambiente eletrônico e magnético local em La$_4$Ni$_3$O$_{10}$ sob pressão ambiente. A pesquisa utiliza tanto amostras de monocristal de alta qualidade quanto amostras policristalinas sintetizadas via crescimento por fluxo e métodos sol-gel, respectivamente.

• Espectroscopia: Os espectros de NQR foram adquiridos através da varredura de frequências e integração de intensidades de eco de spin em campo magnético zero. O estudo foca nos sítios La(2) (localizados fora das trilagadas de NiO$_2$), que exibem frequências quadrupolares distintas em comparação aos sítios La(1).
• Medições de Relaxação: A taxa de relaxação spin-rede ($1/T_1$) foi medida usando o método de recuperação por saturação para sondar flutuações de spin. Os dados foram ajustados usando uma fórmula de exponencial estendida para extrair $T_1$ e o fator de estiramento $\beta$.
• Simulação: Simulações teóricas foram realizadas para modelar as formas de linha de NQR, incorporando contribuições tanto da modulação de carga (afetando o gradiente de campo elétrico) quanto de campos magnéticos internos (decorrentes de SDW) para distinguir entre ordens comensuradas e incomensuradas.

Resultos Principais

1. Natureza da Transição de Fase:

   • Em amostras de monocristal, a largura de linha de NQR e a frequência do sítio La(2) exibem uma mudança abrupta em $T_{DW} \approx 133$ K. Este alargamento súbito e deslocamento de frequência, particularmente na transição $\pm 5/2 \leftrightarrow \pm 7/2$, fornecem evidência convincente para uma transição de fase do tipo primeira ordem.
   • Em contraste, amostras policristalinas mostram uma mudança mais gradual abaixo de $T_{DW}$, atribuída ao desordem da amostra e distribuições de vacâncias de oxigênio.
   • Este achado contrasta com resultados de NQR anteriores em o níquelato bilayer La$_3$Ni$_2$O$_7$, que indicaram uma transição de segunda ordem, sugerindo comportamentos distintos entre os dois sistemas de níquelato.

2. Ordens Incomensuradas e Entrelaçadas:

   • Os espectros de NQR no estado DW mostram um alargamento significativo sem um desdobramento de linha distinto. Esta ausência de desdobramento indica que a ordem DW é incomensurada, diferindo da ordem comensurada observada em La$_3$Ni$_2$O$_7$.
   • A análise do alargamento de linha e dos deslocamentos de frequência revela que as mudanças não podem ser explicadas unicamente pela modulação de carga (alargamento quadrupolar) ou unicamente por um campo magnético interno alinhado ao longo do eixo $c$.
   • Os dados são melhor explicados por um modelo onde o campo magnético interno ($B_{int}$) no sítio La(2) é perpendicular ao eixo $c$. Isso implica que os momentos magnéticos de Ni nas camadas externas estão alinhados ao longo do eixo $c$, consistente com propostas teóricas específicas.
   • A observação simultânea de alargamento espectral (atribuído a CDW) e deslocamentos/flutuações de linha significativos (atribuídos a SDW) confirma a natureza entrelaçada das ordens CDW e SDW.

3. Flutuações de Spin e Relaxação:

   • A taxa de relaxação spin-rede dividida pela temperatura ($1/T_1T$) exibe um forte aumento em $T_{DW}$ para amostras de monocristal.
   • Apesar da natureza de primeira ordem da transição (que tipicamente suprime flutuações críticas), o forte aumento em $1/T_1T$ indica a presença de fortes flutuações de spin originadas da ordem SDW acima da transição.
   • O fator de estiramento $\beta$ diminui rapidamente abaixo de $T_{DW}$, consistente com o desenvolvimento de modulações de spin e carga.
   • Em baixas temperaturas, $1/T_1T$ em La$_4$Ni$_3$O$_{10}$ retém um valor residual substancial (~20% do limite de alta temperatura), sugerindo que uma parte significativa da superfície de Fermi permanece não gapada (sem gap). Isso contrasta com La$_3$Ni$_2$O$_7$, onde $1/T_1T$ torna-se negligenciável, implicando uma superfície de Fermi totalmente gapada.

Significância e Alegações
Os autores alegam que estes achados elucidam os mecanismos microscópicos do estado DW em La$_4$Ni$_3$O$_{10}$. Especificamente, o estudo estabelece que:

• A transição DW em La$_4$Ni$_3$O$_{10}$ é uma transição do tipo primeira ordem impulsionada primariamente pela CDW, enquanto as fortes flutuações de spin são impulsionadas pela SDW.
• As ordens DW são incomensuradas e entrelaçadas, provavelmente resultantes do nesting da superfície de Fermi que impede o fechamento completo do gap da superfície de Fermi.
• A orientação dos momentos magnéticos de Ni nas camadas externas está alinhada ao longo do eixo $c$, gerando um campo magnético interno perpendicular a $c$ nos sítios La(2).

O artigo conclui que estes resultados fornecem um framework crucial para entender a competição e a interdependência entre as fases DW e supercondutor, destacando a complexidade das ordens eletrônicas no sistema de trilag em comparação com seu contraparte bilayer.