[論文レビュー] Neutron Scattering Studies on the High-$T_c$ Superconductor La$_3$Ni$_2$O$_{7-δ}$ at Ambient Pressure

Tao Xie, Mengwu Huo+11 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2024

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 5

ひとこと要約

常圧下の多結晶 La3Ni2O7-δ に対する弾性・非弾性中性子散乱は、10 K まで長距離磁性秩序を示さないことを示し、45 meV 付近の非分散スピン励起を明らかにする。これはダブルストライプAFM様のシナリオで強い層間結合と一致する。

ABSTRACT

After several decades of studies of high-temperature superconductivity, there is no compelling theory for the mechanism yet; however, the spin fluctuations have been widely believed to play a crucial role in forming the superconducting Cooper pairs. The recent discovery of high-temperature superconductivity near 80 K in the bilayer nickelate La$_3$Ni$_2$O$_7$ under pressure provides a new platform to elucidate the origins of high-temperature superconductivity. We perform elastic and inelastic neutron scattering studies on a polycrystalline sample of La$_3$Ni$_2$O$_{7-δ}$ at ambient pressure. No magnetic order can be identified down to 10 K. The absence of long-range magnetic order in neutron diffraction measurements may be ascribed to the smallness of the magnetic moment. However, we observe a weak flat spin-fluctuation signal at $\sim$ 45 meV in the inelastic scattering spectra. The observed spin excitations could be interpreted as a result of strong interlayer and weak intralayer magnetic couplings for stripe-type antiferromagnetic orders. Our results provide crucial information on the spin dynamics and are thus important for understanding the superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$.

研究の動機と目的

• La3Ni2O7-δ が常圧・低温で磁気秩序を有するか否かを調べる。
• 弾性および非弾性中性子散乱を用いてスピンゆらぎとエネルギー・運動量依存性を特徴づける。
• 磁気交換相互作用の大きさを推定し、可能な磁気基底状態を評価する。
• 理論モデルおよび DFT フォノン計算と比較して結合機構を理解する。
• ニコライートの高温超伝導性の文脈と銅酸化物/鉄系 pnictides との関係を踏まえて、所見を総合する。

提案手法

• 長距離磁気秩序を 10 K および 160 K で検索するための中性子粉末回折。
• 複数の入射エネルギー (Ei) を用いた非弾性中性子散乱によりスピンおよびフォノン励起をマッピング。
• SpinW ベースのスピン励起スペクトルのモデリングによる交換結合の抽出。
• DFT フォノン計算による分散とDOS の算出と INS との比較。
• 高温と低温の INS スペクトルのデータ差を用いて磁性寄与を分離。

Figure 1: Structure, electronic occupancy, and bulk electrical transport, magnetic and structural characterization of the La 3 Ni 2 O 7-δ polycrystalline sample. (a) Crystal structure of La 3 Ni 2 O 7-δ in the $Amam$ space group. The open blue circle represents an oxygen vacancy. (b) Schematic of th

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 常圧下の La3Ni2O7-δ に長範囲磁気秩序はあるか、10 K まで？
• RQ2 常圧下の La3Ni2O7-δ におけるスピンゆらぎの性質とエネルギースケールは何か？
• RQ3 層内対層を含む磁気交換結合の大きさと階層構造はどうなっているか？
• RQ4 観測されたスピン励起を説明できるような alternate double stripe AFM の磁気構造は成立するか？

主な発見

• 磁気ブリッグピークは検出されず；10 K まで長範囲磁性秩序はなし。
• 非弾性散乱スペクトル中、45 meV 付近に局在する弱い平坦なスピンゆらぎ信号。
• 層間結合が強く層内結合が弱い交互ダブルストライプAFM秩序によってスピン励起スペクトルは良く説明される（SJ⊥ ≈ 36 meV; SJ1 ≈ 5; SJ2 ≈ -2; SJ4 ≈ 1）。
• 分散性および非分散性のフォノンモードが観測され、DFT フォノン分散と DOS は概ね INS 特性と一致する。
• 強い層間磁気交換がスピン動力学を支配し、銅酸化物および鉄系超伝導体とは異なる。

Figure 2: INS spectra of La 3 Ni 2 O 7-δ with different incident energies at low temperature. (a) INS spectrum collected at PELICAN with $E_{i}$ = 3.7 meV. (b) and (c) are INS spectra measured at MERLIN with $E_{i}$ = 22.6 and 160 meV, respectively. (d) INS spectrum up to 350 meV obtained at MAPS. (