[논문 리뷰] 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 Adachi외 4명|arXiv (Cornell University)|2010. 07. 09.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 전자 도핑된 고임계 초전도체 Pr0.86LaCe0.14Cu1-yZnyO4+α-δ에서 비자화 Zn 불순물의 영향을 분석하기 위해 영자장 뮤온 스핀 릭스 (μSR)를 사용하여 Cu 스핀 동역학을 조사한다. 30 K 이하에서 Pr3+ 이온이 스핀 변동을 유도하고 있음에도 불구하고, Zn 도핑에 의한 Cu 스핀 변동 둔화 현상은 관측되지 않았다. 이는 구멍 도핑 시스템과는 뚜렷하게 대비되며, 전자 도핑된 코발트산염에서 동적 스트립 상관관계가 존재하지 않거나, Pr3+ 이온의 영향력이 Zn 불순물보다 더 강하다는 것을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 전자 도핑된 고임계 초전도체에서 비자화 Zn 불순물이 Cu 스핀 동역학에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 구멍 도핑된 코발트산염에서 관측된 Zn에 의한 동적 스트립 상관관계의 고정 현상이 전자 도핑 시스템에서도 발생하는지 테스트하기 위해.
• Pr3+ 이온이 국소적 스핀 동역학을 조절하고 Zn 도핑 및 산소 비스토이키오메트리와의 상호작용에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• μSR 분광법을 사용하여 전자 도핑 및 구멍 도핑 코발트산염에서 Zn 불순물의 영향을 비교하기 위해.
• 산소 결함도 (δ)와 Zn 농도 (y) 변화 조건에서 Cu 스핀 변동이 Zn 치환에 의해 영향을 받는지 여부를 규명하기 위해.

제안 방법

• y = 0–0.05 및 δ = 0–0.09 범위의 다결정 Pr0.86LaCe0.14Cu1-yZnyO4+α-δ 표본에서 정밀한 영자장(ZF) 및 종방향자장(LF) μSR 측정을 수행하였다.
• RIKEN-RAL 뮤온 시설에서 0.3 K까지의 측정을 수행하여 10−6에서 10−11 초 사이의 시간스케일에서 스핀 동역학을 탐색하였다.
• 전기 저항도 및 DC 자화율 측정을 통해 초전도 전이 온도와 표본 품질을 확인하였다.
• μSR 시간 스펙트럼 분석을 통해 릭스 속도(λ) 및 비대칭 계수(σ)를 추출하였으며, 동적 스핀 변동과 정적 자화 모멘트 기여를 식별하였다.
• 산소 결함도(δ)를 제어하기 위해 Ar 분雰위에서 후열처리를 실시하였으며, δ는 무게 변화로부터 추정하였다.
• 스펙트럼 특징과 온도를 연관시켜 스핀 동역학의 전이, 특히 극단적인 시간 영역에서의 분극도 감소 및 장시간 스펙트럼 성장 현상을 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구멍 도핑 시스템에서 관측된 것과 마찬가지로, Zn 치환이 전자 도핑된 Pr0.86LaCe0.14Cu1-yZnyO4+α-δ에서 Cu 스핀 변동의 둔화를 유도하는가?
• RQ2 Zn가 없는 조건에서 Pr3+ 이온은 국소적 스핀 환경과 μSR 스펙트럼에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 전자 도핑된 코발트산염에서 Zn에 의한 영향이 관측되지 않는 것은 동적 스트립 상관관계가 존재하지 않기 때문인가?
• RQ4 Pr3+ 이온의 영향력이 μSR 스펙트럼에서 Zn 불순물 효과를 얼마나 가로막거나 지배하는가?
• RQ5 산소 결함도(δ)는 정적 자성과 동적 스핀 변동 간의 상호작용을 어떻게 조절하는가?

주요 결과

• 30 K 이하에서 Pr3+ 이온의 정적 무작위 자화가 기인한 빠른 분극도 감소가 관측되었다.
• 30 K 이하에서 온도가 내려갈수록 장시간 영역(>5 μs)의 μSR 시간 스펙트럼이 증가하여, Cu 스핀 변동의 둔화 가능성이 나타났다.
• 이 저온 스펙트럼 성장 현상은 Zn가 없는 표본에서도 관측되어, Pr3+ 이온의 영향으로 인해 Cu 스핀 상관관계가 강화된 것으로 추정된다.
• Zn 농도(y ≤ 0.05) 증가에 따라 릭스 속도(λ) 또는 비대칭도(σ)에 유의미한 변화가 관측되지 않아, Zn에 의한 Cu 스핀 변동 둔화 현상이 없음을 시사한다.
• 중간 정도 산소 감소 표본(0.04 ≤ δ ≤ 0.09)에서도 Zn에 의한 영향이 없었으며, 이는 구멍 도핑된 La2-xSrxCu1-yZnyO4에서 관측된 현상과 뚜렷하게 대비된다.
• 결과적으로, 전자 도핑된 코발트산염에서 동적 스트립 상관관계가 존재하지 않거나, μSR 반응에서 Pr3+ 이온의 영향력이 Zn 불순물의 영향력을 지배한다는 것을 시사한다.