[논문 리뷰] Absolute values of the London penetration depth in YBa2Cu3O6+y measured by zero field ESR spectroscopy on Gd doped single crystals

T. Pereg-Barnea, P. Turner외 7명|arXiv (Cornell University)|2003. 11. 25.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 고체 YBa2Cu3O6+y 단일 결정에 Gd를 도핑한 것을 이용하여, 고전적인 영점자기장 ESR 기법을 도입하여, 모든 결정학적 방향(a, b, c)에서 절대적인 London 침투 깊이 λ를 직접 측정한다. ESR 전이 강도를 알려진 Gd 이온 농도에 대비하여 校정함으로써, 세 가지 산소 도핑 농도( y = 0.993, 0.77, 0.52)에 대해 T→0 K에서 정밀한 λ 값을 추출하였으며, 이는 Tc가 1/λ²에 대해 비선형적 의존성을 보임을 시사하여, 널리 받아들여진 Tc ∝ 1/λ² 관계에 도전한다.

ABSTRACT

Zero-field electron spin resonance (ESR) of dilute Gd ions substituted for Y in the cuprate superconductor YBa$_2$Cu$_3$O$_{ m 6+y}$ is used as a novel technique for measuring the absolute value of the low temperature magnetic penetration depth $λ(T o 0)$. The Gd ESR spectrum of samples with $\approx 1%$ substitution was obtained with a broadband microwave technique that measures power absorption bolometrically from 0.5 GHz to 21 GHz. This ESR spectrum is determined by the crystal field that lifts the level degeneracy of the spin 7/2 Gd$^{3+}$ ion and details of this spectrum provide information concerning oxygen ordering in the samples. The magnetic penetration depth is obtained by relating the number of Gd ions exposed to the microwave magnetic field to the frequency-integrated intensity of the observed ESR transitions. This technique has allowed us to determine precise values of $λ$ for screening currents flowing in the three crystallographic orientations ($\hat a$, $\hat b$ and $\hat c$) in samples of Gd$_{ m x}$Y$_{ m 1-x}$Ba$_2$Cu$_3$O$_{6+{ m y}}$ of three different oxygen contents ${ m y}=0.993$ ($T_c = 89$ K), ${ m y}=0.77$ ($T_c=75$ K) and ${ m y}=0.52$ ($T_c=56$ K). The in-plane values are found to depart substantially from the widely reported relation $T_c\propto 1/λ^2$.

연구 동기 및 목표

• YBa2Cu3O6+y에서 세 가지 결정학적 방향에 대해 T→0 K에서 절대 λ 값의 고정밀도 측정을 위한 목표.
• 특히 이방성 컵레이트에서 절대 λ 측정의 장기적인 과제를 해결하기 위한 목표.
• 컵레이트 초전도체의 과도도 영역에서 널리 받아들여진 Tc ∝ 1/λ² 스케일링 법칙의 타당성을 시험하기 위한 목표.
• 기본 모델에 의존하지 않는 직접적인 λ 측정을 통해 다른 실험 기법과 이론 모델의 기준이 되는 목표.

제안 방법

• YBa2Cu3O6+y 단일 결정의 Y 위치에 치환된 희토류 이온 Gd3+에 대해 영점자기장 전자스핀공명(ESR)을 적용.
• 광대역 마이크로파 스펙트로스코피(0.5–21 GHz)를 사용하여 열흡수를 볼로메트릭으로 측정함으로써, ESR 전이 강도를 정밀하게 정량화.
• 통합 ESR 강도를 마이크로파에 노출된 Gd 이온 수와 연관지어, 알려진 도핑 수준에 기반한 校정을 통해 절대 λ 값을 추출.
• 절단 이전 및 이후에 여러 방향으로 동일한 결정을 측정하여 λa, λb, λc의 기여를 분리하고, 세 개의 미지수 λ 값을 구하기 위한 연립방정식 체계를 구성.
• 결정의 자연스러운 균열면을 이용해 비율을 변화시켜 과잉정의된 연립방정식을 만들고, ℓc에 대한 상대 오차가 크기 때문에 λc의 불확실성을 최소화.
• 고정된 c축 두께를 유지하면서 다양한 면내 치수에서의 측정을 조합하여 효과적 침투 깊이의 이방성에 대한 보정을 적용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 YBa2Cu3O6+y에서 T→0 K일 때, 다양한 산소 도핑 농도에 대해 a, b, c 방향의 절대 London 침투 깊이 λ 값은 각각 얼마인가?
• RQ2 과도도 영역에서 널리 받아들여진 Tc ∝ 1/λ² 스케일링 법칙이 YBCO에 대해 성립하는가, 아니면 비선형적 관계인가?
• RQ3 Gd 도핑 단일 결정에서의 영점자기장 ESR은 샘플 형상이나 비스코스 상태 가정 없이 절대 λ를 신뢰할 만하고 정밀하게 측정할 수 있는가?
• RQ4 λ의 이방성은 산소 도핑에 따라 어떻게 변화하며, 이는 초전도 밀도와 쌍성 대칭성에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 상변화 플럭츄에이션과 노드 상태 준입자 상태가 함께 작용하여 과도도 영역에서 Tc를 결정하는 데 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 저자는 산소 도핑 농도가 다른 세 개의 YBa2Cu3O6+y 샘플(y = 0.993, Tc = 89 K; y = 0.77, Tc = 75 K; y = 0.52, Tc = 56 K)에 대해 T→0 K에서 고정밀도로 절대 λ 값을 측정하였다.
• 면내 침투 깊이 λa 및 λb는 Tc ∝ 1/λ² 스케일링 법칙에서 크게 벗어나 있으며, 오히려 비선형적 의존성을 보였다.
• 측정된 λc 값은 크고 기대되는 이방성과 일치했지만, 그 값의 가장 큰 불확실성은 c축 두께 측정에서 기인하였으며, 이는 그 크기가 작기 때문이다.
• 데이터는 과도도 영역에서 상변화 플럭츄에이션만으로 Tc를 설명할 수 없다는 것을 시사하며, 초전도 밀도가 Tc에 선형적으로 비례하지 않기 때문이다.
• 결과는 Tc가 주로 상위상 강성에 의해 결정된다는 전통적 해석을 도전하며, Tc를 낮은 도핑에서 억제하는 데 추가적인 요소—예를 들어, 노드 상태 준입자 상태—가 중요한 역할을 해야 한다는 것을 시사한다.
• ESR 기반 방법은 샘플 형상이나 비스코스 상태 가정 없이도 절대 λ 값을 성공적으로 추출하였으며, 다른 기법과 이론 모델의 신뢰할 수 있는 기준을 제공하였다.