[논문 리뷰] Pressure-enhanced spin-density-wave transition in double-layer nickelate $La_{3}Ni_{2}O_{7-δ}$

Dan Zhao, Yanbing Zhou외 8명|arXiv (Cornell University)|2024. 02. 06.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 12

한 줄 요약

본 논문은 139La NMR를 이용해 La3Ni2O7-δ에서 약 150 K 부근의 스핀 밀도 파동(SDW) 순서를 보여주고, SDW 전이 온도 T_SDW가 압력에 따라 약 2.7 GPa까지 증가하는 것을 발견하여 SDW와 잠재적 초전도성 사이의 비자연적 관계를 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 더블 레이어 니켈레이트에서 밀도 파동 순서를 이해하는 것을 목적삼아 압력 하에서의 잠재적 초전도성의 전조로서의 가능성을 모색한다.
• 139La NMR를 사용하여 SDW 전이 온도 및 그 압력 의존성을 식별한다.
• 결정 내 산소 공실δ의 차이에 따른 두 개의 La 위치 기여를 분리해 해석한다.
• NMR 비등방성으로부터 자화 방향 및 이중 스핀 스트라이프 구조의 가능성을 탐구한다.
• 이 시스템에서 압력이 자기 상관에 미치는 영향을 평가하고 그것이 초전도성과의 관계에 미치는 연관성을 파악한다.

제안 방법

• 온도에 따라 La3Ni2O7-δ의 단결정에 대해 139La NMR 분광을 수행하여 SDW 시작을 탐지한다.
• La(1) 위치에 대한 핵 스핀-격자 이완율(1/T1)을 측정하여 SDW 순서를 식별한다.
• 고온 스펙트럼에서 서로 다른 δ를 가진 두 배층 루들즈던-팝퍼(Ruddlesden-Popper) 상의 La(1) 위치에서 유래한 피크를 배정한다.
• 약 ~2.7 GPa까지 압력을 적용하고 두 La(1) 위치에 대한 NMR 신호로부터 추정된 T_SDW의 변화를 모니터링한다.
• 결과적으로 NMR 피크 분리의 이방성으로부터 c축 방향 자도(moment along the c-axis)를 가진 이중 스핀 스트라이프 질서의 가능성을 해석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 La3Ni2O7-δ가 상온에서 139La NMR로 탐지되는 SDW 순서를 내재하고 있는가?
• RQ2 약 2.7 GPa까지 적용된 압력에 대한 SDW 전이 온도 T_SDW의 반응은 어떠한가?
• RQ3 NMR 비등방성으로 시사되는 자기 질서의 성질(예: 자화 방향, 스트라이프 구조)은 무엇인가?
• RQ4 여러 La 위치 및 산소 공실이 NMR 신호 및 SDW 탐지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 SDW의 압력 의존성이 이중층 니켈레이트의 자성 및 잠재적 초전도성과의 관계에 어떤 시사점을 주는가?

주요 결과

• SDW 순서는 온도 의존적 NMR 스펙트럼과 두 La(1) 위치의 1/T1에서 T_SDW 약 150 K 이하에서 탐지된다.
• 고온에서 나타나는 두 세트의 선명한 La NMR 피크는 δ가 다른 두 배층 루들즈던-팝퍼 상의 La(1) 위치에서 기인한다.
• NMR 스펙트럼의 비등방적 분할은 c축 방향의 자화 모멘트를 갖는 이중 스핀 스트라이프 가능성을 시사한다.
• 약 ~2.7 GPa까지의 압력 하에서 T_SDW는 압력에 따라 증가하며, 이는 일부 전기 전도 연구의 결과와는 반대되는 경향이다.
• 이 결과는 La3Ni2O7-δ에서 SDW 자성과 고압 초전도 후보 간의 비자연적 관계를 강조한다.