[論文レビュー] {63}Cu NQR Study of the Inhomogeneous Electronic State in La{2-x}Sr{x}CuO{4}

Philip M. Singer, A. W. Hunt+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2003

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、同位体増加されたLa2-xSrxCuO4を用いて63Cu NQRを実施し、局所的な空孔濃度の空間的不均一性を明らかにした。電子状態は、より金属的およびより絶縁的領域の間で局所的に変化しており、その主要な発見は、空間的変動の振幅Δx_localが約500–600 K未塔で増加し、T ≳ 150 KでΔx_local/x ≈ 0.5に達することである。スペクトルフィッティングから得られる最小パッチサイズR_patchは、3.0 nm以上であると判明した。

ABSTRACT

We report detailed systematic measurements of the spatial variation in electronic states in the high T{c} superconductor La{2-x}Sr{x}CuO{4} (0.04<= x <= 0.16) using {63}Cu NQR for {63}Cu isotope enriched poly-crystalline samples. We demonstrate that the spatial variation in local hole concentration {63}x{local} given by {63}x{local} = x +/- {63}Dx{local}, where x is the nominal hole concentration and {63}Dx{local} is defined as the amplitude (or extent) of the spatial variation, is reflected in the frequency dependence of the spin-lattice relaxation rate {63}1/T{1} across the inhomogeneous linebroadening of the {63}Cu NQR spectrum. By using high precision measurements of the temperature dependence of {63}1/T_{1} at various positions across the {63}Cu NQR lineshape, we demonstrate that {63}Dx{local} increases below 500 - 600 K and reaches values as large as {63}Dx{local} / x ~ 0.5 in the temperature region > 150 K. By incorporating the random positioning of {+2}Sr donor ions in the lattice in a novel approach, a lower bound to the length scale of the spatial variation {63}R{patch} is deduced by fitting the entire {63}Cu NQR spectrum (including the ``B'' -line) using a patch-by-patch distribution of the spatial variation {63}x{local} with the patch radius {63}R_{patch} > 3.0 nm as the only free parameter. A corresponding upper bound to the amplitude of the spatial variation {63}Dx{patch} (~ 1/{63}R_{patch}) is deduced within the model, and consistent results are found with {63}Dx{local} . We also deduce the onset temperature T{Q} (> 400 K) for local orthorhombic lattice distortions which, in the region x > 0.04, is found to be larger than the onset temperature of long range structural order.

研究の動機と目的

• 高温超伝導体La2-xSrxCuO4におけるナノスケールでの電子状態の空間的不均一性を調査すること。
• 局所的な空孔濃度の変動が、ランダムなSrドーピングに起因するのか、それとも内在的な電子的相分離に起因するのかを特定すること。
• 局所的プローブを用いて、CuO2面上の空間的不均一性の程度とスケールを定量化すること。
• NQRスペクトルにおける局所的格子歪みの効果と電子的不均一性の効果を区別すること。

提案手法

• 0.04 ≤ x ≤ 0.16のSrドーピング範囲において、63Cu同位体増加された多結晶試料を用いて高精度な63Cu NQR測定を実施した。
• 不均一に広がったNQR線形の周波数依存性を用いて、スピン-ラティスリラクゼーション率1/T1の分析により、局所的空孔濃度の変動を推定した。
• R_patchを唯一の自由パrameterとするパッチごとのモデルを用いて、63Cu NQRスペクトル全体（Srイオンに隣接するCuサイトからの「B」線を含む）をフィッティングした。
• 非指数的回復ダイナミクスをモデル化するため、係数ajを有する1/T1,jの分布I(t) = (1/Σaj)·Σaj·exp(–3t/T1,j)を用いた。
• 回復データのフィッティングに、ajのガウス重み付き分布を適用し、分布の重心が強制フィットされた1/T1値と一致するように制約を課した。
• 1/T1分布の半最大全幅（HWHM）を、局所的微分係数βν = |δ(1/T1)/δν|を用いて、等価周波数幅Δν_lattに変換した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 63Cu NQRによって明らかにされたLa2-xSrxCuO4における局所的空孔濃度不均一性の範囲と空間スケールは何か？

主な発見

• 局所的空孔濃度変動の振幅Δx_localは、約500–600 K未塔で増加し、T ≳ 150 KでΔx_local/x ≈ 0.5に達する。
• 局所的空孔濃度の空間的変動は非対称であり、一部の領域ではより金属的（x_local = x + Δx_local）で、他の領域ではより絶縁的（x_local = x – Δx_local）である。
• パッチごとのモデルを用いたNQRスペクトル全体のフィッティングから、空間的不均一性の最小スケールR_patchは、3.0 nm以上（8–10格子定数）であると導かれた。
• パッチ内の変動の振幅上限Δx_patchは、1/T1の周波数依存性から導かれた値と整合的であり、モデルの妥当性が裏付けられた。
• 局所的正方晶格子歪みの発生温度T_Qは、400 K以上であると判明し、x ≳ 0.04領域における長距離秩序の発生温度よりも高い。
• NQR線における格子幅拡大寄与Δν_latt^T1は、0.62(±0.07) MHzと推定され、独立した点電荷計算（Δν_latt^k = 0.49 MHz）と整合的であった。