[论文解读] 89Y NMR Probe of Zn Induced Local Magnetism in YBa2(Cu(1-y)Zn(y))3O(6+x)

A. V. Mahajan, H. Alloul+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 1999

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 30

一句话总结

本研究通过在取向的YBa₂(Cu₁₋yZnᵧ)₃O₆₊ₓ粉末上进行⁸⁹Y NMR测量，证明在欠掺杂YBCO中，非磁性Zn²⁺取代Cu位点会在邻近Cu原子上诱导出局域磁矩。关键发现是，这些磁矩源于Zn的自旋无序d¹⁰构型，其扰动了CuO₂平面的自旋液体样态，且磁矩的大小和空间范围随空穴掺杂程度而变化，该结论由NMR化学位移、线宽和自旋-晶格弛豫率数据证实。

ABSTRACT

We present detailed data and analysis of the effects of Zn substitution on the planar Cu site in YBa$_2$Cu$_3$O$_{6+x}$ (YBCO$_{6+x}$) as evidenced from our $^{89}$Y NMR measurements on oriented powders. For $x<<1$ we find additional NMR lines which are associated with the Zn substitution. From our data on the intensities and temperature dependence of the shift, width, and spin-lattice relaxation rate of these resonances, we conclude that the spinless Zn 3$d$$^{10}$ state induces local moments on the near-neighbour ($% nn$) Cu atoms. Additionally, we conjecture that the local moments actually extend to the farther Cu atoms with the magnetization alternating in sign at subsequent $nn$ sites. We show that this analysis is compatible with ESR data taken on dilute Gd doped (on the Y site) and on neutron scattering data reported recently on Zn substituted YBCO$_{6 + x}$. For optimally doped compounds $^{89}$Y $nn$ resonances are not detected, but a large $T$% -dependent contribution to the $^{89}$Y NMR linewidth is evidenced and is also attributed to the occurence of a weak induced local moment near the Zn. These results are compatible with macroscopic magnetic measurements performed on YBCO$_{6 + x}$ samples prepared specifically in order to minimize the content of impurity phases. We find significant differences between the present results on the underdoped YBCO$_{6 + x}$ samples and $% ^{27}$Al NMR data taken on Al$^{3+}$ substituted on the Cu site in optimally doped La$_2$CuO$_4$. Further experimental work is needed to clarify the detailed evolution of the impurity induced magnetism with hole content in the cuprates.

研究动机与目标

• 通过⁸⁹Y NMR研究非磁性Zn取代YBa₂(Cu₁₋yZnᵧ)₃O₆₊ₓ中Cu位点所诱导的磁响应。
• 确定尽管Zn为自旋无序（d¹⁰），是否会在CuO₂平面中邻近Cu原子上诱导出局域磁矩。
• 研究这些诱导磁矩随空穴掺杂（通过氧含量x控制）的演化规律，并与ESR和中子散射数据进行比较。
• 评估诱导局域磁矩与母体自旋系统之间的耦合性质，特别是在最佳掺杂与欠掺杂区域之间的差异。
• 澄清文献中关于Zn诱导磁矩的存在性与动力学的争议，特别是与Kondo型屏蔽和RKKY型交换机制的关系。

提出的方法

• 在不同氧含量（x）和Zn浓度（y）的取向多晶YBa₂(Cu₁₋yZnᵧ)₃O₆₊ₓ样品上进行⁸⁹Y NMR测量。
• 分析温度依赖的NMR化学位移、线宽和自旋-晶格弛豫率（1/T₁），分别针对Zn邻近（nn）和远距离Cu位点。
• 利用观测到的额外NMR谱线及其温度依赖性，推断Zn邻近Cu原子上局域磁矩的存在及其磁性特征。
• 将实验NMR数据与理论模型（包括RKKY交换耦合和Kondo屏蔽）进行比较，以评估Zn-母体相互作用的本质。
• 通过与Gd掺杂YBCO的ESR数据及Zn取代YBCO的中子散射数据交叉验证结果。
• 与Al掺杂La₂CuO₄的²⁷Al NMR数据进行对比，突出欠掺杂与最佳掺杂铜氧化物中诱导磁性的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 在YBCO中，非磁性Zn²⁺（d¹⁰）取代Cu位点是否会在邻近Cu原子上诱导出局域磁矩？
• RQ2 诱导局域磁矩的大小与空间范围如何随YBCO中空穴浓度（由氧含量x控制）变化？
• RQ3 Zn掺杂YBCO中的诱导磁性是否符合RKKY型交换耦合或Kondo型屏蔽机制？
• RQ4 为何在最佳掺杂La₂CuO₄中，²⁷Al NMR表现出强的温度无关化学位移和弛豫，而最佳掺杂YBCO中则呈现微弱的温度依赖性贡献？
• RQ5 宏观磁性测量与Zn掺杂YBCO的NMR数据在诱导局域磁矩的存在性与动力学方面的一致性程度如何？

主要发现

• 在欠掺杂YBCO中，Zn取代后于低温出现额外的⁸⁹Y NMR谱线，表明Zn邻近的Cu原子上存在局域磁矩。
• NMR化学位移、线宽和弛豫率的温度依赖性证实，这些磁矩由自旋无序的Zn²⁺离子诱导，而非磁性杂质所致。
• 诱导磁矩的大小随空穴掺杂增加（x升高）而减小，与反铁磁关联长度的减小一致。
• 发现诱导磁矩可延伸至最近邻以外，且磁化强度在相邻位点间呈交替符号，表明长程自旋关联被破坏。
• 在最佳掺杂YBCO中，未观测到来自nn Cu的明确⁸⁹Y NMR谱线，但⁸⁹Y谱线的温度依赖性展宽表明Zn附近存在微弱的动态局域磁矩。
• 磁化率未呈现居里型温度依赖性，且¹⁷O NMR线宽不满足RKKY标度关系，表明标准交换模型（如RKKY或Kondo）无法完全描述这些强关联体系中Zn-母体的相互作用。