[论文解读] 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 0

一句话总结

该论文在 La4Ni3O10 上使用 139La NQR，揭示在 T_DW ≈ 133 K 附近出现互相纠缠的非整数量级的电荷和自旋密度波，转变呈现一阶样特征，且存在强自旋涨落。

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.

研究动机与目标

• 在环境压力下阐明 La4Ni3O10 中密度波序的本质。
• 区分电荷密度波（CDW）与自旋密度波（SDW）贡献及它们在密度波态中的相互作用。
• 表征转变的阶次以及样品质量对观测到的 DW 行为的作用。
• 提供与镍酸盐超导相关的 DW 状态的微观洞见。

提出的方法

• 在环境压力下对多晶和单晶 La4Ni3O10 进行 139La NQR 测量。
• 在跨越 T_DW 的温度范围内监测谱线宽度、共振频率及其温度依赖性。
• 测量自旋-晶格弛豫速率 1/T1 及其随温度的依赖性以评估自旋涨落。
• 用内部场对 CDW 和 SDW 的贡献来建模 NQR 线移位和展宽。
• 比较 La(2) 位点信号（外层 NiO2 平面）以推断 SDW/CDW 特征及磁矩取向。

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

实验结果

研究问题

• RQ1 在环境压力下 La4Ni3O10 的密度波序的性质是整数量级还是非整数量级？
• RQ2 在 T_DW ~133 K 处，电荷密度波（CDW）与自旋密度波（SDW）是否共存及它们之间的相互作用如何？
• RQ3 DW 转变是类似一阶还是二阶？样品质量如何影响它？
• RQ4 La 位点的内部磁场的取向和大小如何，这对 Ni 磁矩有何意味着？

主要发现

• 在约 133 K 的 T_DW 以下，单晶 La(2) NQR 线展宽并发生突然移位，指示类似一阶的 DW 转变。
• 线的展宽且没有分裂表明存在非整数量级的 DW 序，可能具有二维性质。
• 1/T1T 在 T_DW 处显著增强，表明转变前存在强自旋涨落。
• 模拟结果显示 La(2) 的内部场约为 210 mT，CDW 展宽 ~0.3 MHz 能再现观测到的谱线，暗示 CDW 与 SDW 交织。
• 与 SDW 相关的涨落似乎源自外层 NiO2 平面，Ni 磁矩可能沿着或垂直于 c 轴取向，数据支持外层 Ni 磁矩沿 c 轴取向的情形。

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