[论文解读] Spin Correlations and Magnetic Order in Nonsuperconducting Nd_{2-x}Ce_xCuO_4

P. K. Mang, O. P. Vajk+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2003

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 6

一句话总结

本研究利用中子散射技术研究了非超导体系Nd₂₋ₓCeₓCuO₄（x ≤ 0.18）中掺杂依赖的磁序，结果表明，自旋-1/2正方晶格海森堡反铁磁体的位点稀释模型的量子蒙特卡罗模拟能准确描述自旋关联长度。然而，量子涨落对有序磁矩的抑制作用比淬火无序模型的预测更为显著，表明该体系中存在增强的量子效应。

ABSTRACT

We report quantitative neutron scattering measurements of the evolution with doping of the Neel temperature, the antiferromagnetic correlations, and the ordered moment of as-grown, nonsuperconducting Nd_{2-x}Ce_xCuO_{4\pm\delta} ($0 \le x \le 0.18$). The instantaneous correlation length can be effectively described by our quantum Monte Carlo calculations for the randomly site-diluted nearest-neighbor spin-1/2 square-lattice Heisenberg antiferromagnet. However, quantum fluctuations have a stronger effect on the ordered moment, which decreases more rapidly than for the quenched-disorder model.

研究动机与目标

• 理解非超导Nd₂₋ₓCeₓCuO₄在Ce掺杂下磁序的演化行为。
• 确定量子涨落如何影响该体系的奈尔温度、自旋关联和有序磁矩。
• 将实验结果与位点稀释海森堡反铁磁体的理论模型进行比较。
• 评估淬火无序模型在描述掺杂铜氧化物磁行为方面的有效性。

提出的方法

• 对x ≤ 0.18的生长态Nd₂₋ₓCeₓCuO₄单晶进行了中子散射测量，以探测自旋关联和有序磁矩。
• 从散射数据中提取了奈尔温度和瞬时自旋关联长度随掺杂浓度的变化关系。
• 采用量子蒙特卡罗模拟方法，对随机位点稀释的近邻自旋-1/2正方晶格海森堡反铁磁体进行建模。
• 将量子蒙特卡罗模型的理论预测与实验数据进行对比，评估其在自旋关联长度和有序磁矩行为上的吻合程度。
• 以淬火无序模型为参考，突出量子涨落引起的偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 Ce掺杂如何影响非超导Nd₂₋ₓCeₓCuO₄的奈尔温度和自旋关联长度？
• RQ2 与淬火无序模型的预测相比，量子涨落使有序磁矩减少的程度有多大？
• RQ3 位点稀释海森堡模型的量子蒙特卡罗模型能否定量描述观测到的自旋关联长度？
• RQ4 为何有序磁矩随掺杂浓度的减小速度超过经典无序模型的预期？
• RQ5 实验结果与淬火无序模型预测之间的差异揭示了掺杂莫特绝缘体中量子效应的何种信息？

主要发现

• Nd₂₋ₓCeₓCuO₄中的瞬时自旋关联长度可被位点稀释海森堡模型的量子蒙特卡罗模拟良好描述。
• 随着Ce掺杂浓度的增加，奈尔温度降低，与长程磁序被抑制的现象一致。
• 有序磁矩随掺杂浓度的降低速度超过淬火无序模型的预测，表明存在更强的量子涨落。
• 量子涨落对有序磁矩的影响比对关联长度的影响更为显著，暗示存在非均匀的抑制机制。
• 实验数据表明，量子效应主导了有序磁矩的减小，其作用超过经典无序的影响。