[论文解读] Muon-spin-relaxation study of the Cu-spin dynamics in electron-doped high-T_c_ superconductor Pr_0.86_LaCe_0.14_Cu_1-y_Zn_y_O_4_

Risdiana Risdiana, Tadashi Adachi+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2010

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 5

一句话总结

本研究利用零场μ自旋弛豫（μSR）技术，研究了电子掺杂的高温超导体Pr0.86LaCe0.14Cu1-yZnyO4+α-δ中Cu自旋动力学，以检验非磁性Zn杂质的影响。尽管Pr3+自旋在30 K以下诱导了自旋涨落，但未观察到Zn掺杂引起的Cu自旋涨落减缓——与空穴掺杂体系形成鲜明对比——表明电子掺杂铜氧化物中可能不存在动力学条纹关联，或Pr3+自旋的作用强于Zn杂质的影响。

ABSTRACT

Muon-spin-relaxation (muSR) measurements have been performed for the partially Zn-substituted electron-doped high-T_c_ superconductor Pr_0.86_LaCe_0.14_Cu_1-y_Zn_y_O_4+alpha-delta_ with y=0-0.05 and the reduced oxygen content delta=0-0.09, in order to investigate nonmagnetic Zn-impurity effects on the Cu-spin dynamics. For all the measured samples with delta=0.01-0.09, it has been found that a fast depolarization of muon spins is observed below 100 K due to the effect of Pr^3+^ moments and that the muSR time spectrum in the long-time region above 5 mu-sec increases with decreasing temperature at low temperatures below 30 K possibly due to slowing down of the Cu-spin fluctuations assisted by Pr^3+^ moments. No Zn-induced slowing down of the Cu-spin fluctuations has been observed for moderately oxygen-reduced samples with delta=0.04-0.09, which is very different from the muSR results of La_2-x_Sr_x_Cu_1-y_Zn_y_O_4_. The possible reason may be that there are no dynamical stripe correlations of spins and electrons in the electron-doped high-T_c_ cuprates or that the effect of Pr^3+^ moments on the muSR spectra is stronger than that of a small amount of Zn impurities.

研究动机与目标

• 研究非磁性Zn杂质对电子掺杂高温超导体中Cu自旋动力学的影响。
• 检验在空穴掺杂铜氧化物中观察到的Zn对动力学条纹关联的钉扎效应是否也存在于电子掺杂体系中。
• 研究Pr3+自旋在调控局域自旋动力学及其与Zn掺杂和氧非化学计量性的相互作用中的作用。
• 利用μSR光谱学比较电子掺杂与空穴掺杂铜氧化物中Zn杂质的影响。
• 确定在不同氧缺位程度（δ）和Zn浓度（y）下，Cu自旋涨落是否受Zn取代的影响。

提出的方法

• 在RIKEN-RALμ介子设施对Pr0.86LaCe0.14Cu1-yZnyO4+α-δ多晶样品（y = 0–0.05，δ = 0–0.09）进行优化的零场（ZF）和纵向场（LF）μSR测量。
• 在0.3 K下进行测量，以探测10−6至10−11秒时间尺度上的自旋动力学。
• 利用电输运性质和直流磁化率确认超导转变温度和样品质量。
• 分析μSR时间谱以提取弛豫率（λ）和不对称参数（σ），识别动态自旋涨落和静态磁性自旋的贡献。
• 通过在Ar中退火控制氧缺位程度（δ），δ值由质量变化估算。
• 将谱特征与温度相关联，识别自旋动力学的相变，包括去极化和长时间谱增长。

实验结果

研究问题

• RQ1 在电子掺杂的Pr0.86LaCe0.14Cu1-yZnyO4+α-δ中，Zn取代是否像在空穴掺杂体系中那样引起Cu自旋涨落的减缓？
• RQ2 在无Zn存在的情况下，Pr3+自旋如何影响局域自旋环境和μSR谱？
• RQ3 电子掺杂铜氧化物中未观察到Zn诱导效应，是否是因为缺乏动力学条纹关联？
• RQ4 Pr3+自旋在多大程度上掩盖或主导了μSR谱中的Zn杂质效应？
• RQ5 氧缺位（δ）如何调制静态磁性与动态自旋涨落之间的相互作用？

主要发现

• 在100 K以下观察到μ子自旋快速去极化，这是由Pr3+自旋引起的静态随机磁性所致。
• 在长时间区域（>5 μs）的μSR时间谱随温度降低而增大，表明Cu自旋涨落可能减缓。
• 即使在无Zn样品中也观察到该低温谱增长，表明Pr3+自旋的辅助作用增强了Cu自旋关联。
• 随着Zn浓度增加（y ≤ 0.05），弛豫率（λ）和不对称参数（σ）无显著变化，表明未出现Zn诱导的Cu自旋涨落减缓。
• 在中等氧还原样品中（0.04 ≤ δ ≤ 0.09），Zn诱导效应的缺失依然存在，与空穴掺杂La2-xSrxCu1-yZnyO4中显著的此类效应形成鲜明对比。
• 结果表明，电子掺杂铜氧化物中可能不存在动力学条纹关联，或Pr3+自旋效应在μSR响应中主导于Zn杂质效应。