[論文レビュー] Cu-NMR study of oxygen disorder in ortho-II YBa2Cu3Oy

Tsz Chun Wu, Rui Zhou+13 more|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2016

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、63Cu-NMR分光法を用いて正交-II YBa2Cu3Oyにおける酸素障害の不規則性を調査し、チェーン酸素欠陥が本質的で避けがたいことを明らかにした。結果から、2種類の欠陥が特定された：酸素濃度が6.4 < y < 6.6の全範囲で部分的または完全な鎖への酸素クラスタリング、およびy < 6.50の範囲での完全鎖内におけるランダムに分布する酸素空孔。最適な正交-II秩序状態（y ≈ 6.55）におけるスペクトルの高い再現性から、このような不規則性が材料系そのものに内在していることが確認された。

ABSTRACT

We show that 63Cu NMR spectra place strong constraints on both the nature and the concentration of oxygen defects in ortho-II YBa2Cu3Oy. Systematic deviation from ideal ortho-II order is revealed by the presence of inequivalent Cu sites in either full or empty chains. The results can be explained by two kinds of defects: oxygen clustering into additional chains, or fragments thereof, most likely present at all concentrations (6.4

研究の動機と目的

• 正交-II YBa2Cu3Oy（最小限の不規則性を有する高Tc銅酸化物モデル）における酸素欠陥の性質と濃度を特定すること。
• 酸素濃度の変動が電子的性質に与える影響と、本質的な構造的欠陥の影響を分離すること。
• 観察された電子的不均一性が、酸素原子のランダムな空孔によるものか、チェーン層内でのクラスタリングによるものかを明確にすること。
• 酸素不規則性が、高品質な単結晶においても正交-II相の本質的特徴であるかどうかを評価すること。

提案手法

• 磁場をc軸に整列させた15 Tの条件下で63Cu-NMR分光法を実施し、異なるCuサイトにおける局所的な電子的環境をプローブした。
• 周波数を走査してスピンエコー信号を分析することで、複数の非等価なCuサイトの解像が可能となった。
• 四極子周波数（νQ）および線幅をスペクトル線から抽出し、局所的な酸素環境および欠陥クラスタリングを同定した。
• 理論的モデルを用いて、Cu(1F)サイトがN個の近隣空孔を有する確率をシミュレートし、実験的線強度と比較した。
• 2つの仮定（ランダム空孔と完全鎖形成）の下で、Cu(2E)-様とCu(2F)-様NMR線の強度比を計算し、欠陥タイプを区別した。
• 酸素含有量が6.4 < y < 6.6の範囲で変化する複数の試料を用いてデータを分析し、濃度依存性および再現性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 酸素ドーピングレベルが6.4 < y < 6.6の範囲で変化する際、正交-II YBa2Cu3Oyにおける酸素欠陥の性質と濃度は何か？
• RQ2 酸素空孔はランダムに分布しているのか、それとも部分的または完全な鎖へのクラスタリングを示すのか？
• RQ3 高品質な正交-II YBa2Cu3Oy単結晶において、酸素不規則性がどの程度本質的で避けがたいものであるか？
• RQ4 酸素欠陥は、特にCu(1F)、Cu(1E)、Cu(2F)、Cu(2E)サイトの分裂および幅広がりにどのように影響を与えるか？
• RQ5 最適な正交-II秩序状態（y ≈ 6.55）においても電子的コherencyが制限される理由は何か？これは本質的な酸素不規則性に起因するのか？

主な発見

• 酸素濃度が6.4 < y < 6.6の全範囲で、部分的または完全な鎖への酸素クラスタリングが確認された。これは、複数の非等価なCu(1F)およびCu(1E) NMRサイトの存在によって裏付けられた。
• y < 6.50の範囲では、完全鎖内にランダムに分布する酸素空孔が同定された。これは、Cu(2E)-様とCu(2F)-様NMR線の強度比が支持している。
• 近隣空孔数の増加に伴い四極子周波数νQが減少し、局所的電場勾配の低下と整合的である。
• 実験的強度比は、ランダム空孔を仮定したモデルと一致するが、完全鎖形成を仮定したモデルとは一致しない。これにより、孤立した空孔鎖が主な欠陥とはならないことが排除された。
• 最適な正交-II秩序状態（y ≈ 6.55）において、複数の試料間でNMRスペクトルの高い再現性が得られた。これは、チェーン酸素不規則性が本質的で避けがたいためである。
• 本結果は、酸素不規則性が正交-II YBa2Cu3Oyにおいて本質的特徴であることを示しており、清浄な試料でさえも電子的コherencyを制限する。