La nuclear quadrupole resonance studies of pressurized LaNiO
通过利用 La 核四极共振，本研究揭示了 LaNiO 中交织的短程与长程自旋及电荷密度波序被静水压所抑制，从而证实了它们作为非常规超导电性竞争序的角色。
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在探索如何让材料实现无损导电的征途中，科学家们长期以来一直关注着一类被称为超导体的特殊物质。这些材料在冷却到极低温度时，能够实现电流零电阻流动，这一特性有望彻底改变从电网到医学成像的方方面面。几十年来，最著名的超导体是由铜和氧组成的，但最近，一类含有镍的新型材料引起了研究人员的注意。这些具有特定层状结构的镍基化合物，表现出在巨大的压力下可以进入超导状态的能力，并达到了此前认为此类材料难以达到的更高温度。然而，在这些材料实现超导之前，它们通常会经历一种不同类型的转变，即电子会排列成电荷或自旋的重复图案，从而有效地冻结了电流的流动。理解这些图案如何形成、它们如何相互作用以及它们在压力下如何消失，对于弄清楚如何让这些材料在更高温度下实现超导至关重要。
现在，一个研究小组深入观察了其中一种镍化合物——一种名为 的材料——以精确了解其中的电子图案是如何行为的。通过使用一种监听晶体内部原子微小磁性“耳语”的技术，他们发现该材料并非简单地从正常态切换到超导态。相反，它通过了一个复杂的相位，在这个相位中，两种不同类型的电子有序态（一种涉及磁自旋，另一种涉及电荷）紧密地交织在一起。这一发现挑战了以往认为这两种有序态可能是分离或独立的观点，表明在这一特定材料中，它们是深度关联的。
研究人员研究了一种高质量的 晶体，该晶体由夹在镧层之间的镍氧层构建而成。他们使用了一种称为核四极矩共振的方法，这种方法就像是一个高度灵敏的麦克风，在倾听原子核的声音。在这种情况下，他们专注于镧原子，这些原子位于晶体结构中的两个不同位置。通过调谐到这些原子振动的特定频率，团队能够检测到局部磁场和电场环境的细微变化，从而揭示随着材料冷却，电子是如何进行自我组织的。
在常压下，随着研究人员对材料进行冷却，他们首先注意到在约 150 K 的温度下出现了短程电子有序态。在这种状态下，电子图案虽然存在，但仅存在于较小的距离内，就像池塘表面尚未扩散开来的涟漪一样。随着温度进一步降至约 139 K，这些涟漪成长为横跨整个晶体的长程有序态。数据表明，磁自旋有序和电荷有序在同一时间出现，并且是交织在一起的，这意味着它们无法被分离或独立理解。这与在一种类似的二层镍化合物中所观察到的情况有显著不同，在那种化合物中，这两种有序态似乎是各自独立运作的。
为了了解这些图案的稳固程度，研究小组将晶体置于 2.3 吉帕斯卡尔（GPa）的恒定高压下，这大约是地球地壳深处的压力。在这种挤压下，材料的行为发生了具有启发性的变化。长程、全晶体有序态出现的温度急剧下降，每施加 1 GPa 的压力，温度就下降约 10 K。相比之下，短程、局部的有序态温度下降得慢得多，每 1 GPa 仅下降约 1 K。这两种状态对压力的响应速度差异表明，长程有序态比短程波动更加脆弱，也更容易被抑制。
研究还显示，随着压力的增加，材料的超导能力可能会受到这种电子图案与超导态之间竞争的阻碍。在二层镍化合物中，压力似乎有助于磁有序，而磁有序并不与超导性竞争。但在这种三层材料中，自旋有序与电荷有序的交织性质意味着它们与超导态进行了更直接的对抗。研究人员得出结论，通过压力抑制这些交织的有序态是决定该材料行为的关键因素，这为理解决定材料成为超导体还是保持绝缘体的微观“拉锯战”提供了更清晰的图景。
通过绘制这些电子图案如何形成和演化的精确图谱，研究人员为这种镍基化合物的内部生命提供了详细的快照。他们证实了短程电子有序出现在长程有序之前，并且这两种有序类型是密不可分的。这项工作不仅仅是在描述一种单一的材料；它有助于完善对层状镍氧化物中复杂电子行为如何竞争的更广泛理解。研究结果表明，要释放这些材料在高温度超导方面的全部潜力，科学家必须学会如何管理或抑制这些目前阻碍超导态产生的交织电子图案。关于压力如何影响这些不同有序态的精确测量，为不断探索量子材料前沿领域的理论家和实验学家提供了一套新的线索。
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