氧同位素的精确测量对铜酸盐的奈尔温度的影响

文摘

能力的限制因素解释同位素效应测量铜酸盐是缺乏足够准确的数据为整个相图;有精确的数据,但不是为反铁磁性的转变温度。极端的敏感性小样品中的氧含量的变化是主要的问题。这个问题已经解决了通过使用新颖的化合物()()有一个地区独立于氧掺杂。细致的测量为样本和发现没有一个氧同位素效应以前所未有的精度。我们发现和现有数据的可能的解释是,同位素替代影响正常状态的电荷载体密度。

同位素替代是一个功能强大的实验工具用于研究复杂系统。理想情况下,同位素替代只影响一个参数,例如,一个声子频率直接相关的核质量。然而,许多参数的强耦合在铜酸盐高度限制解释同位素效应(IE)实验。尽管氧同位素替代已知影响超导转变温度,目前尚不清楚它主要影响声子,极化子,马侬姑娘,掺杂或其他物理性质1]。

描述的同位素效应通常是使用同位素系数通过关系 在哪里是一个相变温度,同位素质量和吗,超导(SC),反铁磁性的(AFM),分别和自旋玻璃临界温度。在许多传统超导体被发现非常接近0.5 [2,3]。的解释库伯对的粘声子是胜利的BCS理论对金属超导体(4]。

在铜酸盐同位素效应要复杂得多不是单值和不同相图。今天的共识等氧化合物是在SC阶段,接近最佳的掺杂, 对氧替代(5]。在SC圆顶增加掺杂的减少(6,7]。在玻璃态更少的数据可用,但似乎同位素效应和反转信号变得消极。在极其underdoped样本,长期AFM盛行在低温下,数据是稀缺的,有争议的,有相对较大的误差5,8]。最近的测量表明,在母体化合物(5]。还有一些理论处理的变化在相图(9- - - - - -14),但自和内的误差棒彼此不能这些理论与实验对比。特别是,它是不可能判断相同的粘合剂,旋转,在一起拥有库珀对与否。增加的准确性即奈尔温度的测量将阐明同位素替代的角色。

正如上面提到的,一个主要限制的测量强烈的依赖吗兴奋剂。例如,在,随掺杂率增加而减小K /。这强烈依赖于温度,当然,常见的许多其他铜酸盐。因此,很难准备两个样品一模一样的即使有相同的同位素。最小的波动或可能会导致一个巨大的波动不管同位素效应。(这不是理由)()在哪里氧气的密度是常数图中可以看到1(15]。

图1

15 ()()相图(]。反铁磁性的,自旋玻璃和超导阶段表示为红色,绿色和蓝色分别。为不依赖于奈尔温度。这使氧同位素的精确测量对奈尔温度的影响。

对我们的实验中,四个烧结球团准备使用标准技术(16]。富含的两个球同位素和两个同位素在同一个程序:样品同时被放置在两个封闭的管,每个都有不同的同位素气体,然后被加热到允许同位素扩散到样品。为了实现更高比例的气体,浓缩重复了几次。

的同位素含量样品的确定是基于测量气体成分在平衡与样品中交换。鲍尔泽棱镜质谱仪用于原位分析同位素组成的氛围。执行交换过程后,体重增加的样本也决定如光同位素交换的沉重。样品中的同位素浓缩测量两种方法似乎高于80%。最后一个热分析(TA)实验进行的调查样本毕竟实验中所描述的这个工作是为了实现验证同位素浓缩。样本加热到1200°C NETSCH STA 449 C木星在氦流分析仪。在助教实验中,离子电流信号的,O啊,,分子测量使用质谱仪(ThermoStar Pfeiffer真空)。结果如图所示2。从这些测量同位素含量推导(比较信号的峰值区域特定的氧分子)大于70%。

图2

离子电流信号的,O啊,,分子(红、绿、蓝色,resp)获得在加热样品的氦流。这个图表显示了同位素部分样品大于70%(参见文本)。

氧气IE使用零场测量子旋转旋转/放松(SR)。我们特别使用了ISIS设施,它允许子弛豫率低和旋转频率测量。这是理想的测量磁相变附近的μ介子在长期范围内变化的信号。在相变温度接近老数据在图所示3。从383.4 K温度降低,松弛率增加。在378.5 K振荡出现在数据表明长程磁秩序的存在。振荡的频率和弛豫速率增加温度进一步降低。这个公式 安装在子极化,在哪里,,和极化,放松利率,和频率的μ介子旋转部分的样品磁性,然后呢之间的权重因数μ介子经历横场和纵向场。这个因素是接近2/3和温度无关的。和的自旋极化和放松的μ介子,停在非磁性样品的体积。图中的实线3(一个)代表适合。

(一)

(b)

(一)
(b)

图3

3 3 3 4 (一)SR原始数据在不同温度和适合的在实线)到数据。(b)比较三种不同的方法用来描述AFM相变:(i)子旋进频率获得()。(2)磁体积分数由(),(3)计算()。

AFM订单参数是由频率决定的,在那里在子站点和平均磁场吗子旋磁比。这个频率很容易提取老数据远低于过渡但很难确定附近的过渡。第二个方法是将磁体积分数作为订单参数(5,17]。可以更紧密地跟踪,尽管这个参数时也有很大误差没有定义良好。我们用另一种方法类似于(18];我们定义一个命令参数,不需要健康,通过关系 在哪里的平均极化温度吗,是上面的平均极化的过渡。分母规范化1在零温度。这三个参数的一个示例如图3 (b)。转变温度决定使用不同的顺序的参数有很好的一致性。的优点是清晰的:这是一个模范自由,非常小的不确定性。

在图4,我们现在两个样品的和一个380 K左右。宽温度范围从50到410 K的插图所示实验在不同的场合,两个样品的和一个被检查。我们确定通过拟合直线主面板中的数据图4在378 - 382 K温度范围内,为每个样本,采取与温度的交叉轴。我们发现K和K。同位素取代同位素指数是由100% 当考虑同位素样品获得分数 这个结果表明(见(2)以外的误差,与没有同位素效应是一致的。

图4

4 的参数(见())和温度附近为和丰富的样本。实线是适合附近的数据来确定使用的相变。插图显示了第二个实验在整个温度范围内。没有氧的同位素效应观察到在实验误差。

这些结果的一个可能的解释是不相关的超导磁激发态以来同位素影响在不影响。这种方法了,例如,通过赵et al。9]。他们发现,富含样品有较长的穿透深度比样品富含与相同数量的单位细胞氧气。SC载体密度有关吗和有效质量通过所以一个修道院和可以影响同位素替代19]。他们排除了这种可能性,运营商的数量浓度不同的证明不同同位素样品的热膨胀系数是相同的。作者因此得出结论,即库伯对的质量变化,这可能是由于polaronic超级航母。

另一种解释是,掺杂的同位素对转换效率的影响,提出在[13]。证明这个解释我们现在的图5(一个)临界温度来自两个不同的同位素(5]。似乎有点高于,但有点低于。然而,如果我们定义一个效率参数有关黑洞的数量氧离子的数量在单位细胞通过,在那里代表同位素类型,我们可以产生一个统一的相图。这是在数字5 (b)和5 (c)为和,分别。在这些图形的三个不同的值用于生成同时保持。当使用,两曲线的和与两个不同的同位素的崩溃到相同的曲线。类似比例的掺杂轴是应用于()()系统(15和被NQR解释20.]。

(一)

(b)

(c)

(一)
(b)
(c)

图5

5 (一)氧同位素效应(左)和在Y(右)公关英航铜O从[]。的O和O样品在红圈和空的黑色方块,分别。图(b)和(c)是IE的演示使用载流子密度,而不是氧含量。的值给出的数据。绿色的三角形()表示减少载流子的数量的2%O样品相比O样本。在这种情况下都和是函数的不管同位素。

接下来我们将讨论即刚度在上面的场景中。我们假设SC电荷载体的有效质量,关键在超导开始,是最优的由同位素替代,不受影响。μ介子的刚度可以测量横向弛豫率,预计19] 在哪里是一个常数。分裂的微分从(7放松的最佳掺杂收益率)

预期的刚度的变化由于同位素替代可以计算(8)使用,(从图中提取5 (c)),μ年代¹(21]。为,和我们得到了 。这个值与实验值是一致的μ年代¹报告(21]。换句话说2%掺杂两种同位素之间的效率差异可以解释相图的变化和刚度的变化。

我们的实验表明,氧同位素替代不影响奈尔温度,因此不会在磁作用中发挥作用。然而,的同位素效应并不一定意味着声子在铜酸盐超导扮演一个角色。我们表明,isotope-dependent掺杂效率能解释这种变化之间的磁场穿透深度和丰富的样品或。

确认

作者要感谢伊希斯脉冲μ介子设施在卢瑟福阿普尔顿实验室,英国优秀的μ介子束条件。这项工作是由以色列科学基金会联合German-Israeli浸项目,在高温超导和Posnansky研究基金。

引用

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