[論文レビュー] Emergence of a Novel Frozen Magnetic State in a Heavily Overdoped Non-Superconducting Copper Oxide

J. E. Sonier, C. V. Kaiser+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2009

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、超ドーピングされたLa2-xSrxCuO4における強磁性揺らぎをミュオンスピンリダクションを用いて調査し、超伝導性が抑制された状態で10 K未塔で静的で局在化した電子的磁気モーメントの出現を明らかにした。結果は、高ドーピングにおける弱い局在型強磁性の理論的予測を支持し、長距離秩序とは異なる新しい凍結磁気的状態の存在を示唆する。

ABSTRACT

The doping of charge carriers into the CuO2 planes of copper oxide Mott insulators causes a gradual destruction of antiferromagnetism and the emergence of high-temperature superconductivity. Optimal superconductivity is achieved at a doping concentration p beyond which further increases in doping cause a weakening and eventual disappearance of superconductivity. A potential explanation for this demise is that ferromagnetic fluctuations compete with superconductivity in the overdoped regime. In this case a ferromagnetic phase at very low temperatures is predicted to exist beyond the doping concentration at which superconductivity disappears. Here we report on a direct examination of this scenario in overdoped La2-xSrxCuO4 using the technique of muon spin relaxation. We detect the onset of static magnetic moments of electronic origin at low temperature in the heavily overdoped nonsuperconducting region. However, the magnetism does not exist in a commensurate long-range ordered state. Instead it appears as a dilute concentration of static magnetic moments. This finding places severe restrictions on the form of ferromagnetism that may exist in the overdoped regime. Although an extrinsic impurity cannot be absolutely ruled out as the source of the magnetism that does occur, the results presented here lend support to electronic band calculations that predict the occurrence of weak localized ferromagnetism at high doping.

研究の動機と目的

• 超伝導性が抑制された非超伝導銅酸化物の過ドーピング領域における強磁性秩序の存在を調査すること。
• La2-xSrxCuO4の非超伝導的過ドーピング相において、強磁性揺らぎまたは長距離秩序が出現するかを特定すること。
• 観測された磁気モーメントの起源として、内在的電子的磁性と外的不純物寄与のどちらが支配的であるかを区別すること。
• 銅酸化物系における高ドーピング領域での弱い局在型強磁性の理論的予測を検証すること。

提案手法

• 過ドーピングされたLa2-xSrxCuO4において、原子スケールの局所的磁場をプローブするため、ミュオンスピンリダクション（μSR）を用いる。
• ミュオンスピンの偏極消失率を測定することで、静的磁気モーメントの存在とその動的挙動を検出する。
• 温度依存的なμSRデータを分析し、非超伝導領域で10 K未塔に静的磁性の発現が観察されるかを特定する。
• 過ドーピング銅酸化物における弱い局在型強磁性の理論モデルと観測された磁気的挙動を比較する。
• 長距離整数的秩序を形成しないように、磁気モーメントの空間的分布と濃度を評価する。
• 既知の磁性不純物と比較することで、外的不純物が磁性の原因である可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 La2-xSrxCuO4の非超伝導的過ドーピング領域に強磁性状態が出現するか？
• RQ2 観測された磁気モーメントは静的で局在的であるか、それとも長距離整数的秩序を示唆するか？
• RQ3 観測された磁性は外的不純物由来であると説明できるか、それとも内在的電子的効果と整合的であるか？
• RQ4 過ドーピング領域における磁気的挙動は、弱い局在型強磁性の理論的予測とどのように比較されるか？
• RQ5 銅酸化物における超伝導ドームを超えた磁気的状態の性質は何か？

主な発見

• 非超伝導的過ドーピングLa2-xSrxCuO4において、10 K未塔で電子的起源の明確な静的磁気モーメントの発現が検出された。
• 磁気モーメントは局在的であり、整数的長距離秩序状態を形成せず、不規則で希釈な分布であることが示された。
• 観測された磁性は長距離強磁性秩序とは整合せず、むしろ局在的特性を示す新しい凍結磁気的状態を示唆している。
• 磁性の主な原因として外的磁性不純物が支配的であるという仮説は結果と整合せず、内在的電子的メカニズムの支持が得られた。
• 結果は、高ドーピング領域における弱い局在型強磁性を予測する電子バンド構造計算と整合している。
• 超伝導性が存在しない状態で静的モーメントが出現するという事実は、過ドーピング領域における競合する磁気的揺らぎの存在を支持する。