[论文解读] 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. Turner+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2003

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 12

一句话总结

本研究提出一种新型零场电子自旋共振（ESR）技术，利用掺钆的YBa2Cu3O6+y单晶直接测量所有三个晶轴方向（a、b、c）的绝对伦敦穿透深度λ。通过将ESR跃迁强度与已知的Gd离子浓度进行标定，作者精确测得三种氧掺杂样品（y = 0.993, 0.77, 0.52）在T→0 K时的λ值，发现Tc与1/λ²之间呈非线性依赖关系，挑战了广泛假设的Tc ∝ 1/λ²关系。

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 $T_c\propto 1/λ^2$.

研究动机与目标

• 精确测定YBa2Cu3O6+y在所有三个晶轴方向上的伦敦穿透深度λ(T→0)的绝对值。
• 克服长期以来在高质量单晶中测量绝对λ值的挑战，特别是在各向异性的铜氧化物超导体中。
• 检验在铜氧化物超导体欠掺杂区广泛假设的Tc ∝ 1/λ²标度定律的有效性。
• 提供一种直接、模型无关的λ测量方法，可作为其他实验技术与理论模型的基准。

提出的方法

• 在YBa2Cu3O6+y单晶的Y位点中掺入稀释的Gd3+离子，进行零场电子自旋共振（ESR）测量。
• 采用超宽带微波光谱技术（0.5–21 GHz）进行功率吸收的辐射热测量，实现对ESR跃迁强度的精确量化。
• 将积分ESR强度与暴露于微波场中的Gd离子数量关联，通过已知掺杂水平的标定方法提取绝对λ值。
• 在裂解前后对同一晶体在多个取向下进行测量，以分离λa、λb和λc的贡献，利用方程组求解三个未知的λ值。
• 利用晶体的天然解理面改变长径比，构建超定方程组，从而减小因ℓc相对误差较大而引起的λc测量不确定性。
• 通过结合不同面内尺寸的测量结果与固定c轴厚度，对有效穿透深度的各向异性进行修正。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同氧掺杂水平下，YBa2Cu3O6+y在T→0 K时a、b和c方向的伦敦穿透深度λ的绝对值是多少？
• RQ2 在欠掺杂YBCO中，广泛假设的Tc ∝ 1/λ²标度定律是否成立，还是存在非线性关系？
• RQ3 在Gd掺杂单晶上采用零场ESR是否能提供一种可靠且精确的绝对λ测量方法，而无需依赖样品几何形状或涡旋态假设？
• RQ4 λ的各向异性如何随氧掺杂演化？这对超流密度和配对对称性有何启示？
• RQ5 在欠掺杂区，相位涨落与节点准粒子激发在多大程度上共同决定了Tc？

主要发现

• 作者对三种氧掺杂的YBa2Cu3O6+y样品（y = 0.993, Tc = 89 K；y = 0.77, Tc = 75 K；y = 0.52, Tc = 56 K）在T→0 K时的绝对λ值进行了高精度测量。
• 面内穿透深度λa和λb与Tc ∝ 1/λ²标度定律存在显著偏差，表现出非线性依赖关系。
• 测得的λc值较大且与预期的各向异性一致，但最大的不确定性源于c轴厚度测量，因其数值较小。
• 数据表明，仅靠相位涨落无法解释欠掺杂区的Tc，因为超流密度与Tc之间并非线性比例关系。
• 结果挑战了传统观点，即Tc主要由相位刚度决定，表明其他因素（如节点准粒子激发）在低掺杂下抑制Tc的过程中起着重要作用。
• 基于ESR的方法成功提取了不依赖样品形状或涡旋态假设的绝对λ值，为其他技术提供了稳健的基准。