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https://www.krm.or.kr/krmts/link.html?dbGubun=SD&m201_id=10016203&local_id=10014155
핵자기 공명을 이용한 초전도체내 소용돌이 주변의 특이한 국소전자구조에 대한 미시적 공간분해 측정
Reports NRF is supported by Research Projects( 핵자기 공명을 이용한 초전도체내 소용돌이 주변의 특이한 국소전자구조에 대한 미시적 공간분해 측정 | 2008 Year 신청요강 다운로드 PDF다운로드 | 이무희(건국대학교) ) data is submitted to the NRF Project Results
Researcher who has been awarded a research grant by Humanities and Social Studies Support Program of NRF has to submit an end product within 6 months(* depend on the form of business)
  • Researchers have entered the information directly to the NRF of Korea research support system
Project Number C00027
Year(selected) 2008 Year
the present condition of Project 종료
State of proposition 재단승인
Completion Date 2009년 08월 31일
Year type 결과보고
Year(final report) 2009년
Research Summary
  • Korean
  • BSCCO (TC=82 K) 단결정에서 17O NMR 측정을 수행하여 스펙트럼, 선폭, 스핀-격자 완화율 1/T1을 자기장 및 온도를 변화해 가며 고자기장 영역까지 측정하였다. 17O NMR 1/T1을 스펙트럼의 saddle-point field 으로 부터 국소 자기장에 따라 (즉, vortex core부터 거리 r 에 따라) 측정하였다.

    초전도체의 vortex 주변에서 1/T1의 공간적 변화에 대한 논문은 드물지만 수편의 논문에서 보고된 바가 있다. 스핀-격자 완화율의 공간적 변화는 vortex core 주변에서 퍼져있는 quasi-particle에 의한 국소적 상태밀도에 의해 결정된다. supercurrent에 의한 Doppler shift는 국소 상태밀도를 변화시키는데 이론에 의하면 vortex core로부터 1/r 에 따라 변화하므로, vortex core로부터 가장 멀리 있는 최소 자기장(minimum field point)로부터 vortex core 안의 최대 자기장(maximum field point)까지 단조롭게 증가하는 것으로 알려져 왔다.

    그러나 YBCO의 17O NMR 측정들은 saddle point 보다 작은 자기장에서 이론적 계산과는 다른 경향을 보고한 바 있다. BSCCO의 경우에서도, saddle point(스펙트럼의 peak) 보다 낮은 자기장(주파수)에서 1/T1의 공간적 변화가 기존의 계산결과와 달리 최소 자기장으로 갈수록 1/T1 이 증가하는데, 여기서는 그 차이가 보다 분명하고 현저하게 관측된다. 즉, 최소 자기장에서 최고 자기장까지 1/T1 이 단조롭게 증가하지 않는다는 것이다. 또한, Nature에 발표되었던 YBCO의 경우와 다르게, vortex core 부분에서 1/T1 이 감소하지 않는다는 것이다. 이것에 대한 물리적 해석을 탐구하고 있다.

    Pnictides 초전도체 단결정 시료 BaFe2As2 및 Ba0.55K0.45Fe2As2 에 대해 6.4 T - 14 T에서 자기장을 sweep해 가며 여러 온도에서 75As NMR의 spectrum, 선폭, shift, T1, T2을 측정하였다. 그런데, 중앙공명선은 대단히 선폭이 넓고 double peak structure(narrow and broad peaks)를 보인다. 이 static field inhomogeneity는 매우 커서, 자기장이 커지고 온도가 낮아짐에 따라 선폭이 빠르게 증가하여, 초전도 임계온도인 30 K 이하 저온에서는 NMR 신호를 측정할 수 없게 만든다.

    이 시료는 Sn flux로 만든 BaFeAs 인데, 여기에는 1% 정도의 Sn 불순물이 포함된 것으로 알려지고 있다. 그런데, 이 소량의 비자성 불순물에 의해 임계온도가 20%나 낮아지고, 또한 NMR 선폭이 대단히 넓어져서, 온도가 낮아짐에 따라 자기장이 커짐에 따라 (또는, 자화의 크기에 비례하여) 선폭과 국소 자기장이 선형적으로 증가(즉, Curie 법칙을 따라)함을 보여준다. BaKFe2As2에서 아주 소량의 불순물에 의해 유발되는 매우 큰 자기구조의 국소적 교란은 아주 특이한 현상인데, undoped material에서 존재하는 SDW 자기적 상태가 doped superconducting material 에서도 초전도성과 상분리의 형태로 남아 있거나, 전자구조의 국소 공간적 교란 및 변화에 의해 유발되는 등, 국소적으로 자기적 상호작용이 크게 훼손되었을 가능성을 보여주고 있다. FeAs 계열의 다른 초전도체, 즉, Co-doped BaFeAs (Ba(Fe2-xCox)2As2) 및 CaFe2As2 에 대한 추가적 NMR 실험과 계산 분석을 통하여 이들에 대한 심층적 분석을 시도하고 있다.
  • English
  • 17O NMR measurements were performed on BSCCO(Tc=82 K) crystals and spectrum, linewidth and 1/T1 were measured at various temperature and magnetic field. 17O NMR 1/T1 was measured as a function of local magnetic field (namely, distance r from a vortex core).

    Experimental results regarding spatial variation of 1/T1 from a vortex core are rare but several papers are reported. The spatial dependence of 1/T1 is determined by local density of states of quasi-particles around a vortex core. According to a theory, Doppler shift of the supercurrent changes the local density of states, following ~1/r dependence, which suggests 1/T1 increases monotonically from the minimum field value at the farthest position to the maximum field at a vortex core.

    However, a different result is reported from 17O NMR of YBCO. Similar to YBCO, our results for BSCCO show that 1/T1 increases from the saddle point field to the minimum field value, which is opposite to the theoretical prediction. For BSCCO, the discrepancy is larger than for YBCO. Furthermore, 1/T1 does not decrease near a vortex core, which is different from that of YBCO. A theoretical interpretation is being pursued.

    75As NMR measurements on pnictides BaFe2As2 and Ba0.55K0.45Fe2As2 crystals were carried out and spectrum, linewidth, T1, and T2 were measured at various temperatures under magnetic field of 6.4 - 14 T. Then, the central transition was extremely broad showing double peaks, narrow and broad. This static field inhomogeneity is very large, increasing at higher field and lower temperature like a Curie law, which wipes out the central peak and makes it unobservable below 30 K.

    These crystals were synthesized by Sn flux method and it was known to include ~1% of Sn impurities from the flux. This small amount of Sn impurities reduces the superconducting transition temperature by 20% and induces tremendous local field inhomogeneity leading to an extremely wide linewidth and a shift of average local field value. This dramatic disturbance of local field by the small concentration of impurity is unique and exotic. This phenomenon may come from the magnetic order (SDW) locally remaining even after the doping into the superconductivity and microscopically coexisting into a kind of phase separation. It is believed at present that this nonmagnetic impurity generates local disturbance and destruction of magnetic order and disrupts magnetic interaction and local electronic structures as well as superconductivity. A systematic analysis and interpretation is underway by performing complementary measurements on K-doped BaFeAs and by comparing with measurements on Co-doped BaFeAs (Ba(Fe2-xCox)2As2) and CaFe2As2.
Research result report
  • Abstract
  • BSCCO 단결정에 17O을 치환하여 30 T 의 고자기장 영역까지 자기장과 온도를 변화해 가며, 주파수의 함수로 17O NMR의 1/T1을 측정하였다. 국소자기장에 비례하는 주파수는 vortex core와 측정핵의 위치 즉, vortex로부터 떨어진 거리를 반영하는 바, vortex 주변에서 전자구조는 지금까지의 이론적 계산과 다르게, 그리고 보고된 몇몇 실험 결과와 같이, 국소 전자상태밀도의 특이한 공간적 변화를 보였다. 그 외에도 몇가지 새로운 실험결과를 측정하였다.

    Sn flux 방법으로 제조한 BaFe2As2 및 (Ba1-xKx)Fe2As2 초전도체 단결정에 대한 75As NMR을 수행하여 소량의 Sn 불순물이 임계온도를 상당히 낮추고, 또한 대단히 커다란 국소자기장의 교란 및 요동을 유발하는 것을 관측하였다. 이것은 철-비소 초전도체에서 자기적 미시구조가 국소적으로 대단히 불균일함를 의미하며, 자성이 초전도성과 서로 phase separation 상태로 존재하거나 자성이 초전도성과 대단히 민감하게 상호작용한다는 것을 보여주는 바, 구리산화물 초전도체와 여러 가지면에서 유사성을 보인다. 또한, Co-doped BaFeAs (Ba(Fe2-xCox)2As2) 및 CaFe2As2 초전도체에 대한 75As NMR 측정도 수행하여 K-doped BaFeAs의 결과와 비교분석하고 있다.
  • Research result and Utilization method
  • BSCCO의 17O NMR 결과는 vortex 주변에서 전자구조의 공간적 변화를 미시적이고 국소적으로 밝혀줄 것으로 기대한다. 따라서, vortex 주변에서 전자상태밀도의 공간적 변화에 대한 미시적 이론을 도출하는데 기여할 것이다. 나아가 vortex core 안과 밖의 low-lying excitation spectrum이나 다른 질서의 order parameter 등 주변의 전자구조가 어떻게 변화하며, 이들이 전자구조가 초전도의 기작과 어떻게 연관되는지에 대해서도 정보를 제공할 수도 있다.

    한편, BaFeAs의 자기적 특성은 YBCO 등 구리산화물 초전도체와 여러 모로 유사하게 나타나는 바, 가장 대표적인 것은 자성이 초전도성과 민감하게 연관되어 발현된다는 점이다. 본 연구에서 수행한 철-비소 여러 시료에 대한 75AS NMR 결과는 BeFeAs에서 자성과 초전도성과의 상관관계를 밝히는데 기여할 것이다. 또한, pseudo-gap 이나 stripe과 같은 자기적 질서 및 불균일성에 대한 단서를 제공하는데도 기여할 것이다.
  • Index terms
  • 핵자기공명, NMR vortex microscopy, BSCCO, BaFeAs, CaFeAs, Relaxation Rate, 17O NMR, 75As NMR
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