[論文レビュー] 89Y NMR Probe of Zn Induced Local Magnetism in YBa2(Cu(1-y)Zn(y))3O(6+x)

A. V. Mahajan, H. Alloul+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 1999

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 30

ひとこと要約

本研究では、酸素含有量xが制御される不純度濃度yの異なるYBa2(Cu1−yZny)3O6+x粉末を用いた89Y NMRにより、銅サイトに置換された非磁性Zn²⁺が、ドーピング状態が不足しているYBCOにおいて、隣接する銅原子に局所的磁気モーメントを誘発することを示した。主な発見は、Znのスピンなしd¹⁰配置が、銅酸化物面におけるスピン液体に類似した状態を歪め、その結果、磁気モーメントの大きさと空間的広がりが空孔ドーピングに依存することである。NMRシフト、線幅、およびスピン・リラクゼーション率のデータにより、この依存関係が裏付けられている。

ABSTRACT

We present detailed data and analysis of the effects of Zn substitution on the planar Cu site in YBa$_2$Cu$_3$O$_{6+x}$ (YBCO$_{6+x}$) as evidenced from our $^{89}$Y NMR measurements on oriented powders. For $x<<1$ we find additional NMR lines which are associated with the Zn substitution. From our data on the intensities and temperature dependence of the shift, width, and spin-lattice relaxation rate of these resonances, we conclude that the spinless Zn 3$d$$^{10}$ state induces local moments on the near-neighbour ($% nn$) Cu atoms. Additionally, we conjecture that the local moments actually extend to the farther Cu atoms with the magnetization alternating in sign at subsequent $nn$ sites. We show that this analysis is compatible with ESR data taken on dilute Gd doped (on the Y site) and on neutron scattering data reported recently on Zn substituted YBCO$_{6 + x}$. For optimally doped compounds $^{89}$Y $nn$ resonances are not detected, but a large $T$% -dependent contribution to the $^{89}$Y NMR linewidth is evidenced and is also attributed to the occurence of a weak induced local moment near the Zn. These results are compatible with macroscopic magnetic measurements performed on YBCO$_{6 + x}$ samples prepared specifically in order to minimize the content of impurity phases. We find significant differences between the present results on the underdoped YBCO$_{6 + x}$ samples and $% ^{27}$Al NMR data taken on Al$^{3+}$ substituted on the Cu site in optimally doped La$_2$CuO$_4$. Further experimental work is needed to clarify the detailed evolution of the impurity induced magnetism with hole content in the cuprates.

研究の動機と目的

• 89Y NMRを用いて、YBa2(Cu1−yZny)3O6+xにおける銅サイトに置換された非磁性Znの磁気的応答を調査すること。
• Znがスピンを有さない（d¹⁰）にもかかわらず、銅酸化物面の隣接銅原子に局所的磁気モーメントを誘発するかどうかを特定すること。
• 酸素含有量xによる空孔ドーピングの制御に従い、これらの誘発モーメントの進化を調べ、ESRおよび中性子散乱データと比較すること。
• 誘発局所的モーメントと母体スピン系との結合の性質を、最適ドーピングと不足ドーピング領域で評価すること。
• 文献におけるZn誘発モーメントの存在と動的挙動に関する矛盾を解消し、特にKondo的スクリーニングとRKKY的交換機構との関係を明確にすること。

提案手法

• 酸素含有量（x）とZn濃度（y）を変化させた、YBa2(Cu1−yZny)3O6+xの配向多結晶試料に対して89Y NMR測定を実施する。
• Znに隣接する（nn）および遠く離れた銅サイトにおける、温度依存のNMRシフト、線幅、およびスピン・リラクゼーション率（1/T₁）を分析する。
• 観測された追加のNMR線およびその温度依存性を用いて、Znに隣接する銅原子に存在する局所的磁気モーメントの存在と磁気的性質を推定する。
• RKKY交換結合およびKondoスクリーニングを含む理論モデルと実験データを比較し、Zn-母体相互作用の性質を評価する。
• GdドーピングYBCOのESRデータおよびZn置換YBCOの中性子散乱データと照合し、妥当性を検証する。
• La₂CuO₄にAlドーピングを行った27Al NMRデータと対比させ、不足ドーピングと最適ドーピングの銅酸化物における誘発磁性の違いを強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 YBCOの銅サイトに置換された非磁性Zn²⁺（d¹⁰）が、隣接銅原子に局所的磁気モーメントを誘発するか？
• RQ2 空孔濃度（酸素含有量xで制御される）に応じて、誘発局所的モーメントの大きさと空間的広がりはどのように変化するか？
• RQ3 ZnドーピングYBCOにおける誘発磁性は、RKKY型交換結合か、Kondo的スクリーニング機構か、どちらに一致するか？
• RQ4 最適ドーピングLa₂CuO₄における27Al NMRでは、強い温度不変シフトおよびリラクゼーションが観測されるが、YBCOとは異なり、弱く温度依存性の寄与が観察される。その理由は何か？
• RQ5 マクロな磁気測定とZnドーピングYBCOのNMRデータは、誘発局所的モーメントの存在と動的挙動に関してどの程度一致するか？

主な発見

• 不純度濃度yの高い不足ドーピングYBCOにおいて、低温で追加の89Y NMR線が観測され、Znに隣接する銅原子に局所的磁気モーメントが存在することを示している。
• NMRシフト、線幅、およびリラクゼーション率の温度依存性から、これらのモーメントがスピンを有さないZn²⁺によって誘発されており、磁性不純物によるものではないことが確認された。
• 誘発モーメントの大きさは、空孔ドーピングの増加（xの増加）に伴い減少し、反強磁性相関長の短縮と整合的である。
• 誘発モーメントは最近隣にとどまらず、順次隣接するサイトで符号が反転する磁化分布を示しており、長距離スピン相関が歪められていることが示唆された。
• 最適ドーピングYBCOでは、nn銅に起因する明確な89Y NMR線は観測されなかったが、温度依存的な線幅拡大が観測され、Zn周辺に弱く動的な局所的モーメントが存在することが示された。
• 磁化率にCurie的温度依存性が認められず、17O NMR線幅におけるRKKYスケーリングの不成立から、標準的な交換モデル（例：RKKYまたはKondo）が、これらの強相関系におけるZn-母体相互作用を完全に記述できないことが示された。