[論文レビュー] Pressure-enhanced spin-density-wave transition in double-layer nickelate $La_{3}Ni_{2}O_{7-δ}$

Dan Zhao, Yanbing Zhou+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2024

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 12

ひとこと要約

この論文は 139La NMR を用いて La3Ni2O7-δ における約 ~150 K でのスピン密度波秩序を示し、SDW 移行温度は圧力を約 2.7 GPa まで上げると増加することを見出し、SDW と潜在的な超伝導性との非自明な関係を示唆する。

ABSTRACT

Recently, a signature of high-temperature superconductivity above the liquid nitrogen temperature (77 K) was reported for $La_{3}Ni_{2}O_{7-δ}$ under pressure. This finding immediately stimulated intense interest in the possible mechanism of high-$T_{c}$ superconductivity in double-layer nickelates. Notably, the pressure-dependent phase diagram inferred from transport measurements indicates that the superconductivity under high pressure emerges from the suppression of density-wave-like order at ambient pressure, which is similar to high-temperature superconductors. Here, nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy of $^{139}La$ nuclei was performed to study the density-wave-like transition in a single crystal of $La_{3}Ni_{2}O_{7-δ}$. At high temperatures, two sets of sharp $^{139}La$ NMR peaks are clearly distinguishable from a broad background signals, which are ascribed to La(1) sites from two bilayer Ruddlesden-Popper phases with different oxygen vacancy $δ$. As the temperature decreases, the temperature-dependent $^{139}La$ NMR spectra and nuclear spin-lattice relaxation rate $(1/T_{1}$) for both La(1) sites provide evidence of spin-density-wave (SDW) ordering below the transition temperature ($T_{SDW}$), which is ~ 150 K. The anisotropic splitting in the NMR spectra suggests the formation of a possible double spin stripe with magnetic moments aligned along the c-axis. Furthermore, we studied the pressure-dependent SDW transition up to ~ 2.7 GPa. Surprisingly, the $T_{SDW}$ inferred from NMR measurements of both La(1) sites increases with increasing pressure, which is opposite to the results from previous transport measurements under pressure and suggests an intriguing phase diagram between superconductivity and SDW. All these results will be helpful for building a connection between superconductivity and magnetic interactions in double-layer nickelates.

研究の動機と目的

• 二重層ニッケラートにおける密度波秩序の理解を、圧力下での超伝導性の潜在的前駆体として促進する。
• 139La NMR を用いて SDW 移行温度と圧力依存性を特定する。
• 結晶内の酸素空孔の変化に起因する複数の La 位置の寄与を分離する。
• NMR の異方性からスピン方向と可能な二重スピンストライプ構造を探る。
• この系における圧力が磁気相関に与える影響と、それが超伝導性とどのように関連するかを評価する。

提案手法

• La3Ni2O7-δ の単結晶に対して 139La NMR スペクトロスコピーを温度依存で実施し、SDW の出現を検出する。
• La(1) サイトの核スピン格子緩和率 (1/T1) を測定し SDW 順序を同定する。
• 高温スペクトルを分析して、δ の異なる二つのビリヤード・ラッドルズデン・パッパー相に由来する La(1) サイトのピークを割り当てる。
• 約 ~2.7 GPa までの圧力を適用し、La(1) サイト双方の NMR 信号から推定される T_SDW の変化を監視する。
• 異方性 NMR ピーク分裂を解釈して、c 軸方向のモーメントを有する二重スピンストライプ秩序の可能性を推察する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 常圧において La3Ni2O7-δ は 139La NMR で検出される SDW秩序を持つか。
• RQ2 約 2.7 GPa までの圧力に対して T_SDW はどのように応答するか。
• RQ3 NMR の異方性が示唆する磁気秩序の性質（例：スピンの向き、ストライプ構造）は何か。
• RQ4 複数の La サイトと酸素空孔が NMR のシグネチャと SDW 検出に及ぼす影響はどれか。
• RQ5 SDW の圧力依存性が二重層ニッケラートの磁性と潜在的超伝導性との関係に対してどのような意味を持つか。

主な発見

• SDW 秩序は温度依存スペクトルおよび両方の La(1) サイトの 1/T1 から ~150 K 未満で検出される。
• 高温での二つの鋭い La NMR ピークは、異なる酸素空孔 δ を持つ二つのビリヤード・ラッドルズデン・パッパー相に由来する La(1) サイトに起因する。
• NMR スペクトルの異方性分裂は、c 軸方向の磁気モーメントを伴う二重スピンストライプの可能性を示唆する。
• 約 ~2.7 GPa までの圧力下で T_SDW は圧力とともに増加し、圧力下の一部輸送研究とは逆の傾向を示す。
• これらの結果は、La3Ni2O7-δ における SDW磁性と高圧超伝導性候補の間に非自明な関係があることを強調する。