[論文レビュー] Absolute values of the London penetration depth in YBa2Cu3O6+y measured by zero field ESR spectroscopy on Gd doped single crystals

T. Pereg-Barnea, P. Turner+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2003

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、GdドープYBa2Cu3O6+y単結晶を用いて、ゼロ磁場ESR法を新たに開発し、結晶学的3方向（a, b, c）における絶対的London浸透深度λを直接測定した。Gdイオン濃度が既知のサンプルを用いてESR遷移強度をキャリブレーションすることで、酸素ドーピング度が異なる3サンプル（y = 0.993, 0.77, 0.52）のT→0 Kにおける正確なλ値を抽出した。その結果、Tcが1/λ²に対して線形でない依存関係を示すことが判明し、一般に想定されているTc ∝ 1/λ²関係に疑問を呈する。

ABSTRACT

Zero-field electron spin resonance (ESR) of dilute Gd ions substituted for Y in the cuprate superconductor YBa$_2$Cu$_3$O$_{ m 6+y}$ is used as a novel technique for measuring the absolute value of the low temperature magnetic penetration depth $λ(T o 0)$. The Gd ESR spectrum of samples with $\approx 1%$ substitution was obtained with a broadband microwave technique that measures power absorption bolometrically from 0.5 GHz to 21 GHz. This ESR spectrum is determined by the crystal field that lifts the level degeneracy of the spin 7/2 Gd$^{3+}$ ion and details of this spectrum provide information concerning oxygen ordering in the samples. The magnetic penetration depth is obtained by relating the number of Gd ions exposed to the microwave magnetic field to the frequency-integrated intensity of the observed ESR transitions. This technique has allowed us to determine precise values of $λ$ for screening currents flowing in the three crystallographic orientations ($\hat a$, $\hat b$ and $\hat c$) in samples of Gd$_{ m x}$Y$_{ m 1-x}$Ba$_2$Cu$_3$O$_{6+{ m y}}$ of three different oxygen contents ${ m y}=0.993$ ($T_c = 89$ K), ${ m y}=0.77$ ($T_c=75$ K) and ${ m y}=0.52$ ($T_c=56$ K). The in-plane values are found to depart substantially from the widely reported relation $T_c\propto 1/λ^2$.

研究の動機と目的

• YBa2Cu3O6+yにおける結晶学的3方向の絶対的London浸透深度λ(T→0)を、高い精度で決定すること。
• 特に異方性を示す銅酸化物超伝導体において、高品質単結晶における絶対的λを測定するという長年の課題を克服すること。
• 銅酸化物超伝導体のアンダードープ領域における広く想定されているTc ∝ 1/λ²スケーリング則の妥当性を検証すること。
• 他の実験的手法や理論的モデルのベンチマークとして用いられる、直接的かつモデルに依存しないλの測定を提供すること。

提案手法

• YBa2Cu3O6+y単結晶のYサイトに置換された希釈Gd3+イオンを用いたゼロ磁場電子スピン共鳴（ESR）を実施。
• 広帯域マイクロ波分光法（0.5–21 GHz）を用い、ボロメトリックにパワー吸収を測定することで、ESR遷移強度の正確な定量を可能とした。
• 積分ESR強度を、マイクロ波場にさらされたGdイオン数と関連づけ、既知のドーピングレベルに基づくキャリブレーションにより、絶対的λ値を抽出した。
• 同一結晶を切断前後で複数の方向に測定することで、λa, λb, λcの寄与を分離し、3つの未知数λ値を求める方程式系を構築した。
• 結晶の自然な亀裂面を用いてアスペクト比を変化させ、過剰決定系を構築することで、ℓcの相対誤差が大きいことによるλcの不確実性を最小限に抑えた。
• 固定されたc軸厚さを保ちつつ、異なる面内寸法での測定を組み合わせることで、有効浸透深度の異方性補正を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 YBa2Cu3O6+yにおけるT→0 Kにおけるa, b, c方向のLondon浸透深度λの絶対的値は、酸素ドーピング度が異なる場合にどのように変化するか？
• RQ2 アンダードープYBCOにおいて、一般に想定されているTc ∝ 1/λ²スケーリング則は成立するのか、それとも非線形的関係であるか？
• RQ3 Gdドープ単結晶を用いたゼロ磁場ESR法は、サンプル形状や渦状態の仮定に依存せず、絶対的λを信頼性高く正確に測定できるのか？
• RQ4 λの異方性は酸素ドーピングとともにどのように変化するか。これは、超伝導密度およびペアリング対称性にどのような含意を持つのか？
• RQ5 位相揺らぎとノード状クーパー対励起状態が、アンダードープ領域におけるTcをどのように共同で決定しているのか？

主な発見

• 著者らは、酸素ドーピング度が異なる3つのYBa2Cu3O6+yサンプル（y = 0.993, Tc = 89 K；y = 0.77, Tc = 75 K；y = 0.52, Tc = 56 K）について、T→0 Kにおける絶対的λ値を高い精度で測定した。
• 面内浸透深度λaおよびλbは、Tc ∝ 1/λ²スケーリング則から著しく逸脱しており、代わりに非線形的依存関係を示した。
• 測定されたλc値は大きく、期待される異方性と整合的であったが、その最大の不確実性は、その大きさが小さいc軸厚さの測定に起因していた。
• データから、アンダードープ領域におけるTcは位相揺らぎだけでは説明できないことが示唆され、超伝導密度がTcに対して線形にスケーリングしないことから、そのような関係ではないことが判明した。
• 従来の解釈であるTcが主に位相剛性によって支配されるという仮定に疑問を呈し、低ドーピング領域におけるTcの低下に、ノード状クーパー対励起状態といった追加要因が顕著に寄与している可能性があることを示唆した。
• ESRに基づく手法により、サンプル形状や渦状態の仮定に依存せず、絶対的λ値を効果的に抽出できた。この手法は、他の実験的手法や理論的モデルの強固なベンチマークを提供した。