[論文レビュー] Intertwined Charge and Spin Density Waves in Trilayer Nickelate La$_4$Ni$_3$O$_{10}$ Revealed by $^{139}$La NQR

Jie Dou, Feiyu Li+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2026

Solid-state spectroscopy and crystallography被引用数 0

ひとこと要約

論文は La4Ni3O10 に対する 139La NQR を用いて、T_DW ≈ 133 K 以下で絡み合う不整な電荷密度波とスピン密度波を明らかにし、一次転移様の挙動と SDW 関連の強いスピンゆらぎを示す。

ABSTRACT

The discovery of superconducting transitions in pressurized La$_3$Ni$_2$O$_{7}$ and La$_4$Ni$_3$O$_{10}$ has highlighted the pivotal role of density wave (DW) orders in nickelate superconductors. To gain a comprehensive understanding of the superconducting state, it is essential to elucidate the nature of the DW order. In this study, we utilized $^{139}$La nuclear quadrupole resonance (NQR) to investigate the charge density wave (CDW) and spin density wave (SDW) orders in both single-crystal and polycrystalline La$_4$Ni$_3$O$_{10}$. Near $T_{ m{DW}} \approx 133$ K, an abrupt change in both the linewidth and frequency of the La(2) site in the single-crystal sample provides compelling evidence for a first-order-like phase transition. The pronounced broadening of the NQR lines indicates the incommensurate nature of the DW order. Furthermore, the spin-lattice relaxation rate divided by temperature 1/$T_1$$T$ exhibits a strong enhancement at $T_{ m{DW}}$, indicating the strong spin fluctuations above the first-order DW transition. These observations suggest an intricate interplay between incommensurate CDW and SDW orders. Our findings offer critical insights into the microscopic mechanisms of the DW state in La$_4$Ni$_3$O$_{10}$ and establish an essential framework for exploring the interplay between DW and superconducting phases in nickelate superconductors.

研究の動機と目的

• 常圧における La4Ni3O10 の密度波秩序の性質を解明する。
• 電荷密度波（CDW）とスピン密度波（SDW）成分とそれらの相互作用を区別する。
• 観察された DW 振る舞いに対する転移の階級と結晶品質の役割を特徴づける。
• ニッケラート超伝導性に関連する DW 状態への微視的洞察を提供する。

提案手法

• 常圧でポリ晶と単結晶の La4Ni3O10 に対して 139La NQR を実施する。
• T_DW に跨る線幅、共鳴周波数、及び温度依存性をモニターする。
• スピン格子緩和率 1/T1 とその T 依存性を測定しスピンゆらぎを評価する。
• 内部場を介した CDW および SDW の寄与を用いて NQR 線移動と展開をモデル化する。
• -La(2) 位相（外側の NiO2 平面）の信号を比較して SDW/CDW の特徴とモーメントの配向を推定する。

Figure 1: (a) Crystal structure of La 4 Ni 3 O 10 . Light green atoms denote La(2) atoms, while dark green atoms denote La(1) atoms. (b-c) The 139 La NQR spectra of La 4 Ni 3 O 10 single-crystal (b) and polycrystalline (c) samples in the normal state and the DW state, respectively. The yellow and bl

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 常圧における La4Ni3O10 の密度波秩序は準周期的か周期的か。
• RQ2 CDW と SDW 秩序は共存し、T_DW ~133 K でどのように相互作用するか。
• RQ3 DW 転移は一次転移様か二次転移か、そして結晶品質がそれにどう影響するか。
• RQ4 La 位における内部磁場の方向と大きさは何を意味し、 Ni のモーメントはどう配向するか。

主な発見

• T_DW ≈ 133 K 未満で単結晶の La(2) NQR 線が急峻に広がり移動することから、一次転移様の DW 転移を示唆。
• 線の展開と分裂の欠如は不整な DW の秩序を示し、おそらく二次元的性質をもつ。
• 1/T1T は T_DW で強い増加を示し、転移前後で顕著なスピンゆらぎを示唆。
• シミュレーションは La(2) に約 210 mT の内部場があり CDW 展開が約 0.3 MHz で観測スペクトルを再現することを示し、CDW と SDW が絡み合う秩序を示唆。
• SDW 関連のゆらぎは外側 NiO2 平面に起源をもち、Ni モーメントは c 軸方向に沿うか、または c 軸に直交する可能性があると議論されており、データは外側 Ni モーメントの c 軸揃いを支持する。

Figure 2: The temperature-dependent 139 La(2) NQR spectra of La 4 Ni 3 O 10 single-crystal (a) and polycrystal (b) samples. The yellow and blue peaks represent the ±5/2 $\leftrightarrow$ ±7/2 transition lines of La 4 Ni 3 O 10 before and after the DW transition, respectively. The solid lines represe