[论文解读] Neutron Scattering Studies on the High-$T_c$ Superconductor La$_3$Ni$_2$O$_{7-δ}$ at Ambient Pressure
弹性与非弹性中子散射在常压下的多晶La3Ni2O7-δ中发现没有到10 K的长_range磁序,且在约45 meV附近出现非色散自旋激发,与双条纹AFM样态中的强层间耦合一致。
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$_7$.
研究动机与目标
- 研究La3Ni2O7-δ在常压与低温下是否存在磁序。
- 利用弹性和非弹性中子散射表征自旋涨落及其能量/动量依赖性。
- 估算磁交换耦合并评估可能的磁基态。
- 将观测到的自旋动力学与理论模型及DFT声子计算进行比较,以理解耦合机制。
- 将结果放在镍酸盐高-Tc超导性及其与铜酸盐/铁砟磷矿的广义背景中加以解读。
提出的方法
- 通过中子粉末衍射在10 K和160 K下搜索长程磁序。
- 采用具有多种入射能Ei的非弹性中子散射,以绘制自旋和声子激发。
- 基于SpinW的自旋激发谱建模以提取交换耦合。
- 进行DFT声子计算以计算色散关系和态密度以便与INS比较。
- 通过高低温INS光谱的差分去除磁性贡献。

实验结果
研究问题
- RQ1La3Ni2O7-δ在常压下是否在10 K甚至更低温度处存在长程磁序?
- RQ2在La3Ni2O7-δ的常压下,自旋涨落及其能量尺度的本质是什么?
- RQ3磁交换耦合的量级及层内与层间的等级排序如何?
- RQ4是否可以用如交替双条纹AFM等磁结构来解释观测到的自旋激发?
主要发现
- 未检测到磁Bragg峰;在10 K以下未观察到长程磁序。
- 在非弹性散射谱中出现以约45 meV为中心的弱平坦自旋涨落信号。
- 自旋激发谱可很好地用交替双条纹AFM序局描述,具有强层间耦合与弱层内耦合(SJ⊥ ≈ 36 meV; SJ1 ≈ 5; SJ2 ≈ -2; SJ4 ≈ 1)。
- 观测到的声子模式具有色散与非色散特征;DFT声子色散和DOS大致与INS特性吻合。
- 强层间磁交换在自旋动力学中占主导,与铜酸盐及铁基超导体存在显著差异。

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