[論文レビュー] Muon-spin-relaxation study of the Cu-spin dynamics in electron-doped high-T_c_ superconductor Pr_0.86_LaCe_0.14_Cu_1-y_Zn_y_O_4_

Risdiana Risdiana, Tadashi Adachi+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2010

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、電子ドーピングされた高Tc超伝導体Pr0.86LaCe0.14Cu1-yZnyO4+α-δにおける銅スピンダイナミクスを、ゼロ場ミューオンスピン緩和（μSR）を用いて非磁性の亜鉛（Zn）不純物効果を検討する。30 K未塔でPr3+モーメントがスピンフラクチュエーションを誘発するにもかかわらず、Zn添加による銅スピンフラクチュエーションの遅れは観測されず、これは穴ドーピング系とは顕著に異なる。これにより、電子ドーピングされた銅酸化物に動的ストライプ相関が存在しないか、あるいはPr3+モーメントの影響がZn不純物の影響を上回っている可能性が示唆される。

ABSTRACT

Muon-spin-relaxation (muSR) measurements have been performed for the partially Zn-substituted electron-doped high-T_c_ superconductor Pr_0.86_LaCe_0.14_Cu_1-y_Zn_y_O_4+alpha-delta_ with y=0-0.05 and the reduced oxygen content delta=0-0.09, in order to investigate nonmagnetic Zn-impurity effects on the Cu-spin dynamics. For all the measured samples with delta=0.01-0.09, it has been found that a fast depolarization of muon spins is observed below 100 K due to the effect of Pr^3+^ moments and that the muSR time spectrum in the long-time region above 5 mu-sec increases with decreasing temperature at low temperatures below 30 K possibly due to slowing down of the Cu-spin fluctuations assisted by Pr^3+^ moments. No Zn-induced slowing down of the Cu-spin fluctuations has been observed for moderately oxygen-reduced samples with delta=0.04-0.09, which is very different from the muSR results of La_2-x_Sr_x_Cu_1-y_Zn_y_O_4_. The possible reason may be that there are no dynamical stripe correlations of spins and electrons in the electron-doped high-T_c_ cuprates or that the effect of Pr^3+^ moments on the muSR spectra is stronger than that of a small amount of Zn impurities.

研究の動機と目的

• 電子ドーピングされた高Tc超伝導体における非磁性Zn不純物が銅スピンダイナミクスに与える影響を調査すること。
• 穴ドーピング系の銅酸化物で観測されたZnによる動的ストライプ相関のピン留めが、電子ドーピング系でも同様に起こるかどうかを検証すること。
• Pr3+モーメントが局所スピンダイナミクスに与える役割と、Znドーピングおよび酸素非化学 stoichiometry との相乗的相互作用を検討すること。
• μSR分光法を用いて、電子ドーピング系と穴ドーピング系におけるZn不純物効果を比較すること。
• 酸素欠損度（δ）とZn濃度（y）の変動下で、CuスピンフラクチュエーションがZn置換によってどのように変化するかを特定すること。

提案手法

• y = 0–0.05、δ = 0–0.09の多結晶Pr0.86LaCe0.14Cu1-yZnyO4+α-δ試料に対して、最適化されたゼロ場（ZF）および縦磁場（LF）μSR測定を実施。
• RIKEN-RALミューオン施設で0.3 Kまで測定を実施し、10−6～10−11秒のスケールでのスピンダイナミクスをプローブ。
• 電気抵抗率およびDC磁化率を用いて、超伝導転移温度と試料の品質を確認。
• μSR時間スペクトルを解析し、緩和率（λ）および非対称性パラメータ（σ）を抽出。動的スピンフラクチュエーションと静的磁気モーメントの寄与を特定。
• アルゴンガス中での後処理を用いて酸素欠損度（δ）を制御し、重量変化からδを推定。
• スペクトル特徴と温度依存性を関連付けて、スピンダイナミクスの転移（偏極の消失および長時間スペクトル成長）を同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 穴ドーピング系と同様に、Zn置換が電子ドーピング系Pr0.86LaCe0.14Cu1-yZnyO4+α-δにおける銅スピンフラクチュエーションの遅れを引き起こすか？
• RQ2 Znが存在しない状態で、Pr3+モーメントは局所スピン環境およびμSRスペクトルにどのように影響を与えるか？
• RQ3 電子ドーピング系におけるZn誘発効果の欠如は、電子ドーピング系に動的ストライプ相関が存在しないことによるものか？
• RQ4 Pr3+モーメントは、μSRスペクトルにおいてZn不純物効果をどれほどマスキングまたは支配するか？
• RQ5 酸素欠損度（δ）は、静的磁性と動的スピンフラクチュエーションの相互作用をどのように調節するか？

主な発見

• 30 K未塔で、Pr3+モーメントによる静的ランダム磁性に起因するミューオンスピンの高速な偏極消失が観測された。
• 長時間領域（>5 μs）のμSR時間スペクトルは、30 K未塔で温度が低下するにつれて増加し、銅スピンフラクチュエーションの遅れが生じている可能性を示唆した。
• この低温域のスペクトル成長は、Znを含まない試料でも観測されたため、Pr3+モーメントの支援によって銅スピン相関が強化されている可能性がある。
• Zn濃度（y ≤ 0.05）の増加に対しても、緩和率（λ）や非対称性（σ）の顕著な変化は観測されず、銅スピンフラクチュエーションのZn誘発的遅れは確認されなかった。
• 中程度の酸素欠損状態（0.04 ≤ δ ≤ 0.09）の試料においても、Zn誘発効果の欠如が継続しており、穴ドーピング系La2-xSrxCu1-yZnyO4とは顕著に対照的であった（ここでは顕著な効果が観測された）。
• これらの結果は、電子ドーピング系に動的ストライプ相関が存在しないか、あるいはμSR応答においてPr3+モーメントの効果がZn不純物効果を上回っている可能性を示唆している。