[論文レビュー] Electronic structure and x-ray magnetic circular dichroism of YBa2Cu3O7/LaMnO3 superlattices from first-principles calculations

Xiaoping Yang, A. N. Yaresko+2 more|ArXiv.org|Nov 23, 2009

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、YBa2Cu3O7/La1-xCaxMnO3スーパーラティスにおけるCu L2,3エッジにおけるX線磁気円二色性（XMCD）が、Mn 3d_{3z²−1}および界面付近のBaO p_z軌道と混合することによって誘起される、スピン極化した空孔の少数存在であるCu 3d_{3z²−1}状態に起因することを明らかにした。フェルミ準位から大きく下にあるにもかかわらず、この微小なスピン分裂が顕著なXMCDを生じさせ、ドーピング、相関効果、磁気秩序の変化のあらゆる条件下でも安定であることが確認された。

ABSTRACT

The origin of x-ray magnetic circular dichroism (XMCD) at the Cu L2,3 edge in YBa2Cu3O7/La(1-x)Ca(x)MnO3 superlattices is revealed by performing first-principle electronic structure calculation using fully-relativistic spin-polarized linear muffin-tin orbital and projected augmented plane wave methods. We show that the XMCD spectra at the Cu L2,3 edges are proportional to the difference of the densities of majority- and minority-spin Cu 3z2-1 states. Although the Cu 3z2-1 states lie well below the Fermi level, a small number of majority-spin 3z2-1 holes is created by the Cu 3z2-1 - O p_z - Mn 3z2-1 hybridization across the interface. Even this tiny number of holes is sufficient to produce appreciable Cu L2,3 XMCD. The robustness of this conclusion is verified by studying the influence of doping, atomic relaxation, correlation effects, and antiferromagnetic order in a CuO2 plane on the XMCD spectra.

研究の動機と目的

• YBa2Cu3O7/La1-xCaxMnO3スーパーラティスにおける弱いが測定可能なCu L2,3エッジXMCDの微視的起源を特定すること。
• 観測されたXMCDを説明する要因として、軌道再配置か、混合に起因するスピン極化かの論争を解消すること。
• ドーピング、相関効果、磁気秩序の変化といったさまざまな条件下でのXMCD信号の頑健性を評価すること。
• 特にd_{3z²−1}軌道が、ディクロイズム信号の生成に果たす役割を明確にすること。

提案手法

• 電子構造計算に、完全相対論的スピン極化線形ミフィン・トーン軌道（LMTO）法および投影 augmented wave（PAW）法を用いた。
• 電子相関効果を考慮するため、LSDAおよびLSDA+U法を用い、Cu d軌道に最大7.5 eVのU値を適用した。
• 左回りおよび右回りの円偏光X線に対する吸収断面積の差を用いて、XMCDスペクトルをシミュレートした。
• La1-xCaxMnO3におけるCaドーピングを仮想結晶近似を用いてモデル化し、組成の頑健性を評価した。
• CuO2面における反強磁性秩序の影響を調査するため、Cuイオンに0.4 μBの磁気モーメントを仮定した。
• スペクトル重みを特定のd軌道成分に分解し、スピン分裂の状態を追跡することで、軌道寄与を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 YBCO/LCMOスーパーラティスにおけるCu L2,3エッジにおける弱いが測定可能なXMCD信号の起源は何か？
• RQ2 XMCD信号は、軌道再配置か、混合に起因するスピン極化によるものか？
• RQ3 電子相関（LSDA+Uを用いて）を含めると、XMCDスペクトルにどのような影響が生じるか？
• RQ4 Ca置換によるドーピングおよび反強磁性Cuモーメントを仮定した磁気秩序の変化の下でも、XMCD信号は維持されるか？
• RQ5 どのCu 3d軌道がXMCD信号に主に寄与しているのか？また、そのスピン極化はどのようにして生じるのか？

主な発見

• Cu L2,3エッジにおけるXMCD信号は、空孔状態の多数スピンおよび少数スピンCu 3d_{3z²−1}状態間のスペクトル重みの差に比例する。
• フェルミ準位から約2 eV下に位置するにもかかわらず、Mn 3d_{3z²−1}および界面付近のBaO p_z軌道と混合することによって、Cu 3d_{3z²−1}状態に少数の空孔が誘起される。
• この混合により、Cuに微小な反対スピン磁気モーメントが生成され、空孔密度が低くても測定可能なXMCDを生じさせるに十分である。
• Caドーピング（仮想結晶近似を用いて）、LCMO層厚さの変化、強い相関（U = 7.5 eV）の導入の下でも、XMCDスペクトルは定量的に頑健である。
• 反強磁性秩序の下で0.4 μBのCuモーメントを仮定しても、XMCDの形状はほとんど変化せず、d_{3z²−1}スピン極化の支配的役割が確認された。
• LSDAを用いて計算された理論的XMCDスペクトルは、実験データとよく一致しており、以前の研究で提唱された軌道再配置モデルとは矛盾する。