[논문 리뷰] Neutron Scattering Studies on the High-$T_c$ Superconductor La$_3$Ni$_2$O$_{7-δ}$ at Ambient Pressure

Tao Xie, Mengwu Huo외 11명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 23.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 5

한 줄 요약

Elastic and inelastic neutron scattering on polycrystalline La3Ni2O7-δ at ambient pressure finds no long-range magnetic order down to 10 K and reveals a non-dispersive spin excitation near 45 meV, consistent with a strong interlayer coupling in a double-stripe AFM-like scenario.

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$_7$.

연구 동기 및 목표

• La3Ni2O7-δ가 대기압에서 저온에서 자기 순서를 갖는지 여부를 조사한다.
• 엘astic 및 inelastic 중성자 산란을 활용하여 스핀 변화와 에너지/운동량 의존성을 특성화한다.
• 자기 교환 상호작용의 크기를 추정하고 가능한 자기 바닥 상태를 평가한다.
• 구동 메커니즘을 이해하기 위해 이론 모델 및 DFT 포논 계산과의 비교를 통해 스핀 다이내믹스를 이해한다.
• 니켈레이트에서의 고-Tc 초전도성과 컵라이트/아이언 페나이트 계와의 관련성이라는 더 넓은 맥락과의 관련성을 논한다.

제안 방법

• 10 K 및 160 K에서 장거리 자기 순서를 탐색하기 위한 중성자 분말 회절.
• 다수의 입사 에너지(Ei)로 비탄성 중성자 산란을 수행하여 스핀 및 포논 들뜸을 매핑한다.
• SpinW 기반의 스핀 들뜸 스펙트럼 모델링으로 교환 결합을 추출한다.
• 밀도범함 이론(DFT) 포논 계산을 수행하여 분산 및 DOS를 INS와의 비교 지표로 활용한다.
• 자기 기여를 분리하기 위해 고온 vs 저온 INS 스펙트럼의 데이터 차이를 사용한다.

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

실험 결과

연구 질문

• RQ1 La3Ni2O7-δ가 대기압에서 10 K까지 장거리 자기 순서를 갖는가?
• RQ2 대기압에서의 스핀 변화의 본질과 에너지 규모는 무엇인가?
• RQ3 내층 vs 층간의 자기 교환 결합의 크기와 계층구조는 어떻게 되는가?
• RQ4 관찰된 스핀 들뜸을 설명하기에 alternating double stripe AFM와 같은 자기 구조가 가능한가?],
• RQ5 key_findings(Translation)???

주요 결과

• No magnetic Bragg peaks detected; no long-range magnetic order down to 10 K.
• A weak flat spin-fluctuation signal centered near 45 meV in inelastic scattering spectra.
• Spin excitation spectrum well described by an alternate double stripe AFM order with strong interlayer and weak intralayer couplings (SJ⊥ ≈ 36 meV; SJ1 ≈ 5; SJ2 ≈ -2; SJ4 ≈ 1).
• Dispersive and non-dispersive phonon modes observed; DFT phonon dispersion and DOS roughly match INS features.
• Strong interlayer magnetic exchange dominates spin dynamics, differing from cuprates and iron-based superconductors.]
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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. (