[논문 리뷰] Emergence of a Novel Frozen Magnetic State in a Heavily Overdoped Non-Superconducting Copper Oxide

J. E. Sonier, C. V. Kaiser외 6명|arXiv (Cornell University)|2009. 11. 02.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 초과도핑된 La2-xSrxCuO4에서의 강자성 플럭투에이션을 투입자 스핀 리laps를 이용해 조사하여, 초전도성 영역 외부에서 10 K 이하에서 정적이고 국소화된 전자적 자기모멘트의 발생을 밝혀냈다. 결과는 고도핑 조건에서 약한 국소화된 강자성의 이론적 예측을 지지하며, 장거리 질서와는 다를 새로운 고정된 자기 상태의 존재를 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초전도성이 억제된 비초전도성 구리 산화물의 초과도핑 영역에서 강자성 질서의 존재를 조사하기 위해.
• La2-xSrxCuO4의 비초전도성, 고도핑된 상태에서 강자성 플럭투에이션이나 장거리 질서가 나타나는지 확인하기 위해.
• 관측된 자기모멘트의 기원으로서 내재된 전자 자기성과 외재적 불순물 기여 사이의 차이를 분별하기 위해.
• 구리 산화물 시스템에서 고도핑 수준이 높을 때 약한 국소화된 강자성의 이론적 예측을 검증하기 위해.

제안 방법

• 고도핑된 La2-xSrxCuO4에서 원자 척도의 국소 자기장 조사를 위해 투입자 스핀 리laps(μSR)를 적용하기 위해.
• 정적 자기모멘트의 존재와 동역학을 탐지하기 위해 투입자 스핀의 극화 감소율을 측정하기 위해.
• 비초전도 영역에서 10 K 이하에서 정적 자기성의 발생을 식별하기 위해 온도 의존적 μSR 데이터를 분석하기 위해.
• 고도핑된 구리 산화물에서 약한 국소화된 강자성의 이론 모델과 관측된 자기 행동을 비교하기 위해.
• 장거리 공명 질서를 배제하기 위해 자기모멘트의 공간 분포와 농도를 평가하기 위해.
• 기존 알려진 자기 불순물과의 비교를 통해 외재적 불순물이 자기성의 원인일 가능성 여부를 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 La2-xSrxCuO4의 비초전도성, 고도핑된 영역에서 강자성 상태가 발생하는가?
• RQ2 관측된 자기모멘트는 정적이고 국소화된 것인가, 아니면 장거리 공명 질서를 나타내는가?
• RQ3 관측된 자기성은 외재적 불순물로 기인하는가, 아니면 내재된 전자적 효과와 일치하는가?
• RQ4 초과도핑 영역에서의 자기 행동은 약한 국소화된 강자성의 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 구리 산화물에서 초전도성 도우미 영역을 넘어서 형성되는 자기 상태의 성격은 무엇인가?

주요 결과

• 비초전도성, 고도핑된 La2-xSrxCuO4에서 10 K 이하에서 전자 기원의 명확한 정적 자기모멘트의 발생이 관측되었다.
• 자기모멘트는 국소화되어 있으며 공명 장거리 질서 상태를 형성하지 않아, 불규칙하고 흐린 분포임을 나타낸다.
• 관측된 자기성은 장거리 강자성 질서와 일치하지 않으며, 오히려 국소화된 특성을 지닌 새로운 고정된 자기 상태를 시사한다.
• 주로 외재적 자기 불순물이 원인이라는 것은 결과와 부합하지 않으며, 내재된 전자 메커니즘을 지지한다.
• 결과는 고도핑 수준이 높을 때 약한 국소화된 강자성을 예측하는 전자 밴드 구조 계산과 일치한다.
• 초전도성의 부재 속에서 정적 모멘트의 발생은 초과도핑 영역에서 경쟁적인 자기 플럭투에이션이 존재함을 지지한다.