[논문 리뷰] {63}Cu NQR Study of the Inhomogeneous Electronic State in La{2-x}Sr{x}CuO{4}

Philip M. Singer, A. W. Hunt외 1명|arXiv (Cornell University)|2003. 02. 04.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 이소토프 농축된 La2-xSrxCuO4에서 63Cu NQR를 사용하여 국소 구멍 농도의 공간적 비균일성을 규명하였으며, 전자 상태가 더 금속성 또는 더 절연성 영역 간에 국소적으로 다양하다는 것을 입증하였다. 주요 발견은 공간적 변동의 진폭 Δx_local가 약 500–600 K 이하에서 증가하여 T ≳ 150 K에서 Δx_local/x ≈ 0.5에 도달하며, 스펙트럼 피팅으로부터 유도된 최소 패치 크기 R_patch ≳ 3.0 nm임을 밝혔다.

ABSTRACT

We report detailed systematic measurements of the spatial variation in electronic states in the high T{c} superconductor La{2-x}Sr{x}CuO{4} (0.04<= x <= 0.16) using {63}Cu NQR for {63}Cu isotope enriched poly-crystalline samples. We demonstrate that the spatial variation in local hole concentration {63}x{local} given by {63}x{local} = x +/- {63}Dx{local}, where x is the nominal hole concentration and {63}Dx{local} is defined as the amplitude (or extent) of the spatial variation, is reflected in the frequency dependence of the spin-lattice relaxation rate {63}1/T{1} across the inhomogeneous linebroadening of the {63}Cu NQR spectrum. By using high precision measurements of the temperature dependence of {63}1/T_{1} at various positions across the {63}Cu NQR lineshape, we demonstrate that {63}Dx{local} increases below 500 - 600 K and reaches values as large as {63}Dx{local} / x ~ 0.5 in the temperature region > 150 K. By incorporating the random positioning of {+2}Sr donor ions in the lattice in a novel approach, a lower bound to the length scale of the spatial variation {63}R{patch} is deduced by fitting the entire {63}Cu NQR spectrum (including the ``B'' -line) using a patch-by-patch distribution of the spatial variation {63}x{local} with the patch radius {63}R_{patch} > 3.0 nm as the only free parameter. A corresponding upper bound to the amplitude of the spatial variation {63}Dx{patch} (~ 1/{63}R_{patch}) is deduced within the model, and consistent results are found with {63}Dx{local} . We also deduce the onset temperature T{Q} (> 400 K) for local orthorhombic lattice distortions which, in the region x > 0.04, is found to be larger than the onset temperature of long range structural order.

연구 동기 및 목표

• 고온 초전도체 La2-xSrxCuO4에서 나노스케일에서 전자 상태의 공간적 비균일성을 조사하기 위해.
• 국소적인 구멍 농도의 변동이 무작위적인 Sr 도핑에 기인하는지 아니면 내재된 전자적 상분리에 기인하는지 확인하기 위해.
• 국소적 탐측기를 사용하여 CuO2 평면 내 공간적 비균일성의 범위와 척도를 정량화하기 위해.
• NQR 스펙트럼에서 국소적 격자 비틀림 효과와 전자적 비균일성의 영향을 구별하기 위해.

제안 방법

• 0.04 ≤ x ≤ 0.16 범위의 Sr 도핑에서 63Cu 이소토프 농축 다결정 샘플에 대해 고정밀 63Cu NQR 측정을 수행하였다.
• 비균일하게 넓어진 NQR 선형도의 주파수 의존성에 기반하여 국소적 구멍 농도 변동을 유추하기 위해 스핀-격자 회복률 1/T1 의 주파수 의존성을 분석하였다.
• Cu 이온 주변의 Sr 이온과 인접한 Cu 위치에서의 'B'-선까지 포함한 전체 63Cu NQR 스펙트럼을 R_patch를 유일한 자유 매개변수로 사용한 패치-바이-패치 모델로 피팅하였다.
• 복수의 회복률 1/T1,j 와 계수 aj 를 사용하여 비지수적 복구 동역학을 모델링하였으며, I(t) = (1/Σaj)·Σaj·exp(–3t/T1,j) 로 기술하였다.
• 복구 데이터를 피팅하기 위해 aj 에 대해 가우시안加산 분포를 적용하였으며, 분포의 중심이 강제 피팅된 1/T1 값과 일치하도록 제약 조건을 설정하였다.
• 1/T1 분포의 반폭(반최대값)을 국소 기울기 βν = |δ(1/T1)/δν| 를 사용하여 등가 주파수 폭(Δν_latt)으로 변환하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 63Cu NQR를 통해 드러난 La2-xSrxCuO4에서 국소 구멍 농도 비균일성의 범위와 공간 척도는 무엇인가?

주요 결과

• 국소 구멍 농도 변동의 진폭 Δx_local는 약 500–600 K 이하에서 증가하여 T ≳ 150 K에서 Δx_local/x ≈ 0.5에 도달한다.
• 국소 구멍 농도의 공간적 변동은 비대칭적이며, 일부 영역은 더 금속성( x_local = x + Δx_local )이고 다른 영역은 더 절연성( x_local = x – Δx_local )이다.
• 패치-바이-패치 모델로 전체 NQR 스펙트럼을 피팅한 결과, 공간 비균일성의 최소 척도 R_patch는 ≳ 3.0 nm(8–10 개 격자 상수)로 유도되었다.
• 패치 내 변동의 진폭 상한 Δx_patch 는 1/T1 의 주파수 의존성에서 유도된 값과 일치하여 모델의 타당성을 검증하였다.
• 국소 오р토로브릭 격자 비틀림의 시작 온도 T_Q 는 ≳ 400 K 로 발견되었으며, 이는 x ≳ 0.04 영역에서 장거리 구조적 질서의 시작 온도보다 높다.
• NQR 선에 기인한 격자 넓힘 기여도 Δν_latt^T1 는 0.62(±0.07) MHz로 추정되었으며, 독립적인 점전하 계산 결과(Δν_latt^k = 0.49 MHz)와 일치한다.