[论文解读] Cu-NMR study of oxygen disorder in ortho-II YBa2Cu3Oy

Tsz Chun Wu, Rui Zhou+13 more|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2016

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 6

一句话总结

本研究利用63Cu-NMR谱学研究正交-II相YBa2Cu3Oy中的氧无序性，结果表明链层氧缺陷是本征且不可避免的。研究识别出两种缺陷类型：在所有氧浓度下（6.4 < y < 6.6），氧原子聚集成部分或完整链；对于y < 6.50，仅在完整链中存在随机分布的氧空位。在最佳正交-II有序状态（y ≈ 6.55）下，谱图具有高度可重复性，证实此类无序性是该材料体系的内在特性。

ABSTRACT

We show that 63Cu NMR spectra place strong constraints on both the nature and the concentration of oxygen defects in ortho-II YBa2Cu3Oy. Systematic deviation from ideal ortho-II order is revealed by the presence of inequivalent Cu sites in either full or empty chains. The results can be explained by two kinds of defects: oxygen clustering into additional chains, or fragments thereof, most likely present at all concentrations (6.4

研究动机与目标

• 确定正交-II相YBa2Cu3Oy中氧缺陷的性质与浓度，该材料是具有最小无序性的高温超导体模型。
• 区分氧浓度变化与本征结构缺陷对电子性质的影响。
• 澄清所观察到的电子非均匀性是否源于链层中氧原子的随机空位或聚集体。
• 评估氧无序是否为正交-II相的固有特征，即使在高质量单晶中亦不可避免。

提出的方法

• 在15 T磁场下沿c轴方向进行63Cu-NMR谱学测量，以探测不同铜位点的局域电子环境。
• 通过扫频并分析自旋回波信号获取NMR谱图，从而分辨多个不等价的铜位点。
• 从谱线中提取四极频率（νQ）与线宽，以识别局域氧环境及缺陷聚集体。
• 利用理论模型模拟Cu(1F)位点具有N个最近邻空位的概率，并与实验谱线强度进行比较。
• 在两种假设下计算Cu(2E)-类与Cu(2F)-类NMR谱线的强度比：随机空位与完整链形成，以区分缺陷类型。
• 在多个氧含量不同的样品（6.4 < y < 6.6）中分析数据，以评估浓度依赖性与可重复性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同氧掺杂水平（6.4 < y < 6.6）下，正交-II相YBa2Cu3Oy中氧缺陷的性质与浓度是什么？
• RQ2 氧空位是随机分布，还是在铜氧链中聚集成部分或完整链？
• RQ3 在高质量正交-II相YBa2Cu3Oy单晶中，氧无序在多大程度上是本征且不可避免的？
• RQ4 氧缺陷如何影响局域NMR响应，特别是Cu(1F)、Cu(1E)、Cu(2F)与Cu(2E)位点的分裂与展宽？
• RQ5 为何即使在最佳正交-II有序状态（y ≈ 6.55）下，电子相干性仍受限制，这是否源于本征氧无序？

主要发现

• 在正交-II相中所有氧浓度下（6.4 < y < 6.6），均观察到氧聚集成部分或完整链的现象，表现为多个不等价的Cu(1F)与Cu(1E) NMR位点。
• 对于y < 6.50，识别出完整链中随机分布的氧空位，其依据为Cu(2E)-类与Cu(2F)-类NMR谱线的强度比。
• 随着最近邻空位数增加，四极频率νQ降低，与局域电场梯度减小一致。
• 实验测得的Cu(2E)-类与Cu(2F)-类NMR谱线强度比与随机空位假设模型吻合，但与完整链形成假设模型不一致，从而排除孤立空链为主要缺陷类型。
• 在最佳正交-II有序状态（y ≈ 6.55）下，不同样品间NMR谱图的高可重复性证实，链层氧无序是本征且不可避免的。
• 结果表明，氧无序是正交-II相YBa2Cu3Oy的固有特征，即使在最纯净的样品中亦存在，且限制了电子相干性。