[논문 리뷰] Discovery of slow magnetic fluctuations and critical slowing down in the pseudogap phase of YBa$_2$Cu$_3$O$_y$

Jian Zhang, Zhaofeng Ding외 12명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 20.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 단일결정 YBa₂Cu₃Oᵧ에서의 뮤온 스핀 회복(µSR)을 통해 페시드갭 상에서 T∗ 근처의 느린 자기장 변동과 임계적 둔화 현상을 탐지한다. 관측된 자기장 의존성 릴랙세이션 속도는 레드필드 관계를 따르며, 상관 시간 τc ≈ 10⁻⁶ s 및 국소 자기장 B_loc^rms ≈ 1–10 mT를 제공하여, 정적 자기장이 없음에도 대칭성 파괴 질서가 존재하는 데 대한 오랜 동안의 역설을 해결하는 강력한 증거를 제시한다.

ABSTRACT

Evidence for intra-unit-cell (IUC) magnetic order in the pseudogap region of high-$T_c$ cuprates below a temperature $T^\ast$ is found in several studies, but NMR and $μ$SR experiments do not observe the expected static local magnetic fields. It has been noted, however, that such fields could be averaged by fluctuations. Our measurements of muon spin relaxation rates in single crystals of YBa$_2$Cu$_3$O$_y$ reveal magnetic fluctuations of the expected order of magnitude that exhibit critical slowing down at $T^\ast$. These results are strong evidence for fluctuating IUC magnetic order in the pseudogap phase.

연구 동기 및 목표

• 고온 초전도체에서 대칭 민감도 실험은 내부 단위세포(IUC) 자기 구조를 나타내지만, NMR 및 µSR 실험에서는 정적 국소 자기장이 관측되지 않는 데 대한 모순을 해결하기 위해.
• IUC 자기 구조의 동적, 느린 변동이 정적 국소 자기장을 평균화할 수 있는지 조사하기 위해.
• 종방향장 µSR를 통해 이러한 변동의 특성 상관 시간 τc 및 제곱평균근 국소 자기장 B_loc^rms 를 결정하기 위해.
• 관측된 릴랙세이션 거동이 T∗ 근처에서 임계적 둔화와 일치하는지 확인하여 양자临계점이 존재하는지 테스트하기 위해.
• 고순도 Ag 샘플을 이용한 제어 실험을 통해 체계적 오차 및 기타 릴랙세이션 메커니즘(예: 코링가 릴랙세이션)을 배제하기 위해.

제안 방법

• YBa₂Cu₃Oᵧ 단일결정에서 종방향장(LF) 및 영자장(ZF) 뮤온 스핀 회복(µSR) 측정을 수행하였으며, 산소 농도(y = 6.72–6.95) 및 Tc = 73–91 K 범위에서 다양하게 변형된 샘플을 사용하였다.
• LF 릴랙세이션 속도 λ_LF(H_L)의 자기장 의존성을 분석하여 레드필드 관계와의 일치 여부를 테스트함: λ_LF(H_L) = (γ_μ²⟨B_loc²⟩τ_c) / (1 + (γ_μ H_L τ_c)²).
• TRIUMF 및 ISIS에서 고순도 Ag(6N) 샘플을 이용한 제어 실험을 통해 체계적 오차를 평가하였으며, 배경 기여 및 뮤온이 시나이티레이터에 정착하는 현상도 고려하였다.
• Ag 샘플에서 릴랙세이션 속도를 측정하여 기준값(λ_Ag ≈ 0.5–3 ms⁻¹)을 확립하고, YBCO에서 관측된 신호가 기기 오차에 기인하지 않음을 확인하였다.
• Korringa 릴랙세이션을 고온 배경의 원인으로 간주할 수 없음을 입증하기 위해, 관측된 릴랙세이션 속도를 유도하기 위해 필요한 B_loc^rms 가 약 10 T로 매우 크다는 점을 추정하였다.
• 뮤온 이동 및 초전도 상태에서의 플럭스 역학으로 인한 복잡성 방지를 위해 T_c 및 T∗ 이하의 온도에서 집중적으로 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상관 시간 τc ≈ 10⁻⁶ s인 느린 자기장 변동이 내부 단위세포 자기 구조의 증거가 있음에도 불구하고 NMR 및 µSR에서 정적 국소 자기장이 관측되지 않는 이유를 설명할 수 있는가?
• RQ2 종방향장 뮤온 스핀 회복 속도의 자기장 의존성이 단일 상관 시간을 가진 마코프성 변동에 대해 레드필드 관계와 일치하는가?
• RQ3 릴랙세이션 속도가 T∗에서 최대값을 보이며, 양자 임계점과 관련된 임계적 둔화를 나타내는가?
• RQ4 YBCO에서 관측된 릴랙세이션 속도는 내재된 자기장 변동에 기인한 것인지, 아니면 뮤온 정착 또는 배경 신호에 기인한 체계적 오차인가?
• RQ5 LF-µSR 데이터에서 B_loc^rms 및 상관 시간 τc 를 신뢰성 있게 추출할 수 있으며, 이 값들이 IUC 자기 구조에 기대되는 크기와 일치하는가?

주요 결과

• YBa₂Cu₃Oᵧ에서 종방향장 뮤온 스핀 회복 속도 λ_LF(H_L)의 자기장 의존성은 정량적으로 레드필드 관계와 일치하여, 느리고 마코프성 자기장 변동의 존재를 확인한다.
• 자기장 변동의 임계적 둔화를 나타내는 T_mag ≈ T∗ ≈ 200 K에서 릴랙세이션 속도의 최대값이 관측되었다.
• 추출된 상관 시간 τc 는 약 10⁻⁶ s이며, 제곱평균근 국소 자기장 B_loc^rms 는 약 1–10 mT로 내부 단위세포 자기 구조에 기대되는 값과 일치한다.
• 고순도 Ag 샘플에 대한 제어 실험 결과, 자기장 의존성 릴랙세이션은 관측되지 않았으며, 배경 릴랙세이션 속도는 약 ~0.5–3 ms⁻¹로 확인되어 체계적 오차는 무시 가능하고 YBCO에서 관측된 신호는 내재된 특성임을 확인한다.
• 고온 배경 릴랙세이션 속도(~1–3 ms⁻¹)는 코링가 릴랙세이션으로서 설명될 수 없으며, 이를 유도하기 위해 필요한 B_loc^rms 가 약 10 T로 매우 비현실적으로 크기 때문이다.
• 결과적으로, 페시드롭 상에서 변동하는 내부 단위세포 자기 구조의 존재에 대한 강력한 증거를 제공하며, 대칭 민감도 실험과 국소 프로브 측정 간 오랜 기간 지속된 모순을 해결한다.