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

Philip M. Singer, A. W. Hunt+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2003

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 4

一句话总结

本研究利用同位素富集的 63Cu NQR 在 La2-xSrxCuO4 中揭示了局部空穴浓度的空间非均匀性，表明电子态在局部范围内表现出从更金属性到更绝缘性区域的差异。关键发现是，空间涨落幅度 Δx_local 在约 500–600 K 以下增加，并在 T ≳ 150 K 时达到 Δx_local/x ≈ 0.5，通过谱线拟合推断出的最小畴尺寸 R_patch ≳ 3.0 nm。

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.

研究动机与目标

• 研究高温超导体 La2-xSrxCuO4 中电子态在纳米尺度上的空间非均匀性。
• 确定局部空穴浓度涨落是否源于随机 Sr 掺杂，还是源于本征的电子相分离。
• 利用局域探针量化 CuO2 平面中空间非均匀性的程度与尺度。
• 在 NQR 谱中区分局域晶格畸变与电子非均匀性的影响。

提出的方法

• 在一系列 Sr 掺杂浓度（0.04 ≤ x ≤ 0.16）的 63Cu 同位素富集多晶样品上进行高精度 63Cu NQR 测量。
• 通过分析自旋-晶格弛豫率 1/T1 在非均匀加宽的 NQR 谱线形上的频率依赖性，推断局部空穴浓度的变化。
• 使用仅以 R_patch 为自由参数的分块模型，对整个 63Cu NQR 谱（包括邻近 Sr 离子的 Cu 位点的 'B' 线）进行拟合。
• 采用具有系数 aj 的弛豫率 1/T1,j 分布来模拟非指数恢复动力学，其中 I(t) = (1/Σaj)·Σaj·exp(–3t/T1,j)。
• 对恢复数据采用高斯加权分布拟合 aj，同时施加约束以确保分布的质心与强制拟合的 1/T1 值一致。
• 利用局部导数 βν = |δ(1/T1)/δν| 将 1/T1 分布的半高全宽（HWHM）转换为等效频率宽度（Δν_latt）。

实验结果

研究问题

• RQ1 63Cu NQR 揭示的 La2-xSrxCuO4 中局部空穴浓度非均匀性的范围与空间尺度是什么？

主要发现

• 局部空穴浓度涨落的幅度 Δx_local 在约 500–600 K 以下增加，并在 T ≳ 150 K 时达到 Δx_local/x ≈ 0.5。
• 局部空穴浓度的空间涨落具有不对称性，部分区域局部更金属性（x_local = x + Δx_local），另一些区域更绝缘（x_local = x – Δx_local）。
• 通过使用分块模型对整个 NQR 谱进行拟合，推断出空间非均匀性的最小尺度 R_patch ≳ 3.0 nm（8–10 个晶格常数）。
• 在畴内涨落幅度的上限 Δx_patch 与 1/T1 的频率依赖性推导出的值一致，验证了该模型。
• 局域正交晶格畸变的起始温度 T_Q 被确定为 ≳ 400 K，高于 x ≳ 0.04 区域中长程结构有序的起始温度。
• NQR 线中晶格展宽的贡献 Δν_latt^T1 估计为 0.62(±0.07) MHz，与独立的点电荷计算结果（Δν_latt^k = 0.49 MHz）一致。