[논문 리뷰] 89Y NMR Probe of Zn Induced Local Magnetism in YBa2(Cu(1-y)Zn(y))3O(6+x)

A. V. Mahajan, H. Alloul외 2명|arXiv (Cornell University)|1999. 09. 03.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 30

한 줄 요약

이 연구는 비자기성 Zn²⁺이 구리 자리에 치환될 경우, 부족 doping된 YBCO에서 이웃 구리 원자에 국소 자화모멘트가 유도됨을 입증하기 위해 정렬된 YBa2(Cu1−yZny)3O6+x 흩어린 물질에서 89Y NMR를 사용한다. 주요 발견은 비자기성 Zn²⁺이 스핀이 없는 d¹⁰ 구조를 지니고 있어 CuO₂ 평면의 스핀 액체 유사 상태를 교란시키며, 이로 인해 유도된 자화모멘트의 크기와 공간 범위는 구리의 정공 도핑 농도에 따라 달라진다는 것이다. 이는 NMR 이동도, 선폭 및 리듬화율 데이터로 확인되었다.

ABSTRACT

We present detailed data and analysis of the effects of Zn substitution on the planar Cu site in YBa$_2$Cu$_3$O$_{6+x}$ (YBCO$_{6+x}$) as evidenced from our $^{89}$Y NMR measurements on oriented powders. For $x<<1$ we find additional NMR lines which are associated with the Zn substitution. From our data on the intensities and temperature dependence of the shift, width, and spin-lattice relaxation rate of these resonances, we conclude that the spinless Zn 3$d$$^{10}$ state induces local moments on the near-neighbour ($% nn$) Cu atoms. Additionally, we conjecture that the local moments actually extend to the farther Cu atoms with the magnetization alternating in sign at subsequent $nn$ sites. We show that this analysis is compatible with ESR data taken on dilute Gd doped (on the Y site) and on neutron scattering data reported recently on Zn substituted YBCO$_{6 + x}$. For optimally doped compounds $^{89}$Y $nn$ resonances are not detected, but a large $T$% -dependent contribution to the $^{89}$Y NMR linewidth is evidenced and is also attributed to the occurence of a weak induced local moment near the Zn. These results are compatible with macroscopic magnetic measurements performed on YBCO$_{6 + x}$ samples prepared specifically in order to minimize the content of impurity phases. We find significant differences between the present results on the underdoped YBCO$_{6 + x}$ samples and $% ^{27}$Al NMR data taken on Al$^{3+}$ substituted on the Cu site in optimally doped La$_2$CuO$_4$. Further experimental work is needed to clarify the detailed evolution of the impurity induced magnetism with hole content in the cuprates.

연구 동기 및 목표

• 89Y NMR를 사용하여 YBa2(Cu1−yZny)3O6+x에서 비자기성 Zn 치환이 구리 자리에 미치는 자성 반응을 조사하기.
• Zn이 스핀이 없음 (d¹⁰)임에도 불구하고, CuO₂ 평면의 이웃 구리 원자에 국소 자화모멘트를 유도하는지 확인하기.
• 정공 도핑 (산소 농도 x로 제어)에 따라 이러한 유도된 자화모멘트의 변화를 조사하고, ESR 및 중성자 산란 데이터와 비교하기.
• 유도된 국소 자화모멘트와 기초 스핀 시스템 간의 상호작용 성격을 분석하며, 특히 최적 도핑 및 부족 도핑 영역에서의 특성 비교하기.
• 문헌에서 보고된 Zn에 의한 자화모멘트의 존재성 및 동역학에 대한 모순점을 해소하며, 특히 Kondo 유사 필터링 및 RKKY 유사 교환 메커니즘과의 관계를 명확히 하기.

제안 방법

• 다양한 산소 농도 (x) 및 Zn 농도 (y)를 가진 정렬된 다결정성 YBa2(Cu1−yZny)3O6+x 표본에서 89Y NMR 측정을 수행하기.
• Zn에 인접한 (nn) 및 멀리 떨어진 Cu 원자에 대해 온도 의존적인 NMR 이동도, 선폭 및 스핀-격자 리듬화율 (1/T₁) 분석하기.
• 관측된 추가적인 NMR 선 및 그 온도 의존성으로부터 Zn에 인접한 Cu 원자에 국소 자화모멘트의 존재성과 자성 성격을 유추하기.
• 관측된 NMR 데이터를 RKKY 교환 상호작용 및 Kondo 필터링 이론 모델과 비교하여 Zn-기초 시스템 상호작용의 성격 평가하기.
• 기존의 Gd 도핑된 YBCO에 대한 ESR 데이터 및 Zn 치환된 YBCO에 대한 중성자 산란 데이터와 교차 검증하기.
• 최적 도핑된 코발트산염과의 차이를 부각하기 위해, Al 도핑된 La₂CuO₄에 대한 27Al NMR 데이터와 결과 비교하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 YBCO에서 비자기성 Zn²⁺ (d¹⁰) 이 구리 자리에 치환될 경우, 이웃 구리 원자에 국소 자화모멘트가 유도되는가?
• RQ2 유도된 국소 자화모멘트의 크기와 공간 범위는 YBCO에서 정공 농도 (산소 농도 x로 제어)에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 Zn 도핑된 YBCO에서의 유도 자화는 RKKY 유사 교환 상호작용 또는 Kondo 유사 필터링 메커니즘과 일치하는가?
• RQ4 최적 도핑된 La₂CuO₄에서 27Al NMR 결과는 강한 온도 독립적 이동도 및 리듬화율을 보이지만, 최적 도핑된 YBCO에서는 약한, 온도 의존적 기여를 보인다. 이는 왜인가?
• RQ5 macroscopic 자성 측정과 Zn 도핑된 YBCO의 NMR 데이터 간에 유도된 국소 자화모멘트의 존재성 및 동역학에 대해 어느 정도 일치하는가?

주요 결과

• 부족 도핑된 YBCO에서 Zn 치환이 있을 경우, 저온에서 추가적인 89Y NMR 선이 나타나며, 이는 Zn에 인접한 가장 가까운 이웃 구리 원자에 국소 자화모멘트가 존재함을 시사한다.
• NMR 이동도, 선폭 및 리듬화율의 온도 의존성은 이러한 자화모멘트가 스핀이 없는 Zn²⁺ 이온에 의해 유도되었음을 확인하며, 자성 불순물의 영향이 아님을 증명한다.
• 유도된 국소 자화모멘트의 크기는 정공 도핑 증가(높은 x)에 따라 감소하며, 이는 반자기적 상관 길이 감소와 일치한다.
• 유도된 자화모멘트는 가장 가까운 이웃을 초월해 확장되며, 순차적인 이웃 원자에서 자화의 부호가 번갈아가며 나타나므로, 장거리 스핀 상관이 교란됨을 시사한다.
• 최적 도핑된 YBCO에서는 nn Cu에 대한 명확한 89Y NMR 선이 관측되지 않지만, 89Y 선의 온도 의존적 넓어짐은 Zn 근처에 약한, 동적인 국소 자화모멘트 존재를 시사한다.
• 자화율에서 Curie 유사 온도 의존성의 부재 및 17O NMR 선폭에서의 RKKY 스케일링 실패는 표준 상호작용 모델(예: RKKY 또는 Kondo)이 이러한 강한 상관 시스템에서 Zn-기초 상호작용을 완전히 기술하지 못함을 시사한다.