ЭПР-исследование взаимосвязи магнитных свойств со структурными факторами и явлением сверхпроводимости в легированном европием La2-x Sr xCuO4 Валидов, Айдар Азатович

Введение к работе

Актуальность темы. Оксидные высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) на основе меди изучаются уже более 13 лет. Однако, до сих пор многие аспекты взаимосвязи сверхпроводимости и магнетизма

в этих соединениях остаются невыясненными. В частности, предметом пристального внимания в последние годы явилось изучение пространственных корреляций зарядов и спинов в медь-кислородных плоскостях лантан-стронциевого металлоксида. Еще в начале 90-х годов была наблюдена динамическая пространственная модуляция спиновой плотности в соединениях La₂__xSr_xCu04 сверхпроводящего состава, имеющих обычную низкотемпературную орторомбическую (НТО) симметрию [1]. Более того, в недавних экспериментах по упругому рассеянию нейтронов было обнаружено, что незначительное изменение кристаллографической структуры СиОг плоскостей этого металлоксида приводит к статическому антиферромагнитному (АФ) упорядочению спинов в виде полос (страйпов), разделенных антифазными зарядовыми доменными стенками (так называемая страйп фаза) [2]. Это структурное искажение возникает при переходе соединения в низкотемпературную тетрагональную (НТТ) фазу, вследствие легирования La₂__xSr_xCu04 редкоземельным допантом с ионным радиусом, меньшим чем у La [3]. В последнее время интенсивно обсуждается возможная связь такого неоднородного распределения спиновой и зарядовой плотности с явлением высокотемпературной сверхпроводимости [4,5].

Таким образом, в настоящее время экспериментальное изучение спиновых и зарядовых корреляций в металлоксидах на основе меди является одним из актуальных направлений в области физики высокотемпературной сверхпроводимости. В частности, это касается изучения влияния допирования на статические и динамические свойства спиновой подсистемы меди, а также исследования роли кристалличес-

.-4-

кой структуры в магнетизме и сверхпроводимости ,ВТСП материалов.

Целью данной диссертационной работы явилось исследование методом ЭПР на спиновых метках Gd³⁺ спиновой динамики и статических магнитных характеристик медь-кислородных плоскостей лантан-стронциевого металлоксида и их взаимосвязи со структурными факторами и явлением высокотемпературной сверхпроводимости.

Выбранный экспериментальный метод имеет ряд несомненных достоинств для исследования обозначенной выше проблемы. ЭПР является высокочувствительным методом, позволяющим изучать возникновение и свойства магнитных корреляций даже если они носят только лишь короткодействующий локальный характер. Кроме того, ЭПР, будучи существенно более низкоэнергетическим методом, чем, например, рассеяние нейтронов, позволяет исследовать более тонкие детали спиновой динамики. Так, например, кажущееся статическим с точки зрения нейтронного рассеяния пространственное распределение спиновой плотности может оказаться медленно развивающимся динамическим процессом, свойства которого могут быть изучены методом ЭПР.

Объектом исследования явилось соединение La2__x-ySr_xEu_yCuC)4, в которое было добавлено 0.5 ат.% ионов Gd³⁺, используемых в качестве ЭПР зонда. Следует отметить, что данная спиновая метка находится вне медь-кислородной плоскости, чем исключается ее возможное возмущающее воздействие на магнитные и электронные свойства СиОг плоскостей. Вместе с тем, из-за наличия небольшой обменной связи со спиновыми возбуждениями в плоскостях СиОг, ион Gd³^.является весьма удобным удаленным зондом для исследования происходящих в них процессов.

Легирование ионами Еи³⁺ (0 < у < 0.24) необходимо для индуциро-. вания структурного перехода из обычной для соединения La2__xSr_xCu04

НТО фазы в фазу с НТТ симметрией. Ион Еи³⁺ имеет синглетное, т.е. немагнитное основное состояние. Возникающий во внешнем магнитном поле ван-флековский поляризационный магнитный момент не оказывает влияния на процессы спиновой релаксации и может быть легко учтен при анализе статических магнитных свойств исследуемых соединений.

Содержание стронция в образцах, определяющее концентрацию носителей тока, варьировалось в широких пределах, 0 < х < 0.20.

Научная новизна.

1. Впервые методом ЭПР на спиновых метках Gd³⁺ проведено систематическое исследование магнитной динамики в медь-кислородных плоскостях лантан-стронциевого металлоксида в широкой области легирования носителями тока.

2. Установлено, что частоты спиновых флуктуации медной подсистемы и их температурное поведение существенным образом зависят от симметрии кристаллической структуры этого соединения, степени искажения (гофрировки) медь-кислородных плоскостей и уровня легирования носителями тока.

3. Обнаружено, что в области промежуточного уровня допирования носителями тока (0.08 < х < 0.20) структурный переход в НТТ фазу приводит к уширению компонент тонкой структуры спектра ЭПР ионов Gd³⁺, связанному с появлением сильной температурной зависимости частоты спиновых флуктуации cj_sf. При этом степень замедления спиновых флуктуации при понижении температуры немонотонным образом зависит от концентрации х носителей тока. u_sf достигает минимальных значений при х = 0.12. Установлено, что наблюдаемая в НТТ фазе аномальная спиновая

динамика является эффектом, конкурирующим со сверхпроводимостью.

4. Показано, что при малых уровнях допирования носителями тока (О < х < 0.02) в АФ упорядоченных образцах структурный переход в НТТ фазу приводит к коллапсу тонкой структуры спектра ЭПР ионов Gd³⁺ в одиночную линию. Данный эффект, свидетельствующий, по-видимому, о появлении спиновых флуктуации в магнитно упорядоченной НТТ фазе на частотах ЭПР, коррелирует с наблюдаемым в измерениях статических магнитных свойств значительным ослаблением магнитной связи между СиОг плоскостями.

Практическая ценность работы состоит в возможности использования полученных экспериментальных результатов для дальнейшего развития теоретических представлений о сильно коррелированных электронных системах и природе высокотемпературной сверхпроводимости.

Положения, выносимые на защиту

1. Экспериментальное обнаружение существенного уширения ком
понент тонкой структуры спектра ЭПР ионов Gd³⁺ при пониже
нии температуры в образцах La2__x-_ySr_xEu_yCu04 с концентрацией

" ;--- стронция 0.08 < х < 0.20 при структурном переходе в НТТ фазу.

2. Экспериментальное обнаружение коллапса тонкой структуры
спектра ЭПР ионов Gd³⁺ в одиночную линию в антиферромагнит-
но упорядоченных образцах La2__x-ySr_xEu_yCu04 с малым уровнем
допирования стронцием (0 < х < 0.02) при структурном переходе
в НТТ фазу.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены -,.,.,, ..на Международном симпозиуме "Современное развитие магнитного ре-

зонанса", Казань, 1997; Международной конференции по металлоксид-ным сверхпроводникам, Стокгольм, Швеция, 1999; Съезде Европейского физического общества, Монтрё, Швейцария, 2000; Съезде Немецкого физического общества, Регенсбург, Германия, 2000; 32-ом Всероссийском Совещании по физике низких температур, Казань, Россия, 2000; Молодежной Научной Школе "Актуальные проблемы магнитного резонанса и его приложений", Казань, 2000г. и итоговых научных конференциях Казанского научного центра РАН.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 7 публикациях, три из которых - статьи в научных журналах. Список авторских публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем диссертации составляет 148 страниц, включая 44 рисунка. В конце диссертации приведен список цитированной литературы, состоящий из 110 наименований.