Investigation of the effect of Zn impurities and magnetic field on the spin dynamics in underdoped YBa2(Cu1-yZny)3Ox

Abstract

This work employs neutron scattering to examine the changes in the spin excitation spectrum of the underdoped high-temperature superconductor YBa2Cu3Ox which is doped with zinc or subject to a strong magnetic field. Doping levels of x=6.6 and x=6.45 are used with an optional zinc substitution of 2% zinc per copper atom. A detwinning procedure is an important factor in order to reorient all twinning domains of the orthorhombic crystal cell in the same direction. Numerous single crystals were oriented and assembled to create a sample of total mass 2g neccessary for neutron scattering experiments. The experiments were performed on triple axis neutron scattering spectrometers to measure spin excitations around the antiferromagnetic wave vector at energies up to 50meV. Zinc substitution and magnetic field influence the spin excitations, which in the pure compound feature the resonance mode, a spin gap and an hour-glass dispersion. Upon zinc substition the spectrum of YBa2(Cu0.98Zn0.02)3O6.6 is quantitatively unchanged around the resonance energy, however its marked temperature onset disappears. At lower energies new induced quasi-static exitations emerge. Similar finding have been observed in other cuprate compounds. The induced excitation exhibit a strong anisotropy in the copper planes. All these results are compared to other experimental techniques which provide comparable experimental evidence. Another compounds examined in this work is the more strongly oxygen underdoped YBa2(Cu0.98Zn0.02)3O6.45. The common bilayer related signal remains unchanged with zinc substitution, however a new inter-plane correlated signal is induced indicating ordering between copper planes. A comparison with other experimental techniques indicated that the superconducting critical temperature is the sole determining factor of the qualitative spin excitation spectrum, no matter what factor are responsible for it. Additional examinations have been devoted to the magnetic field effect on YBa2Cu3O6.45. Similar to other cuprate families, a magnetic-field induced enhancement of the low-energy excitations has been observed. Both the static and the inelastic excitations around 4meV are enhanced. The latter could indicate remains of the resonance mode, which is not detected by common techniques otherwise. Finally, at results on the zinc substitution and magnetic field effect are compared with complementary experimental measurements to deduce many similarities.

Diese Arbeit untersucht mithilfe von Neutronenstreuung die Veränderung des Spinanregungsspektrum an dem unterdotiertem Hochtemperatursupraleiter YBa2Cu3Ox welcher mit Zink Fremdatomen dotiert wird oder unter Einfluss eines starken Magnetfeldes steht. Die verwendeten Dotierungen sind x=6.6 und x=6.45 mit einer optionalen Zinkdotierung von 2% Zink pro Kupferatom. Ein wichtiger Aspekt ist die Anwendung einer Entzwillingungsprozedur, so dass die orthorhombischen Einheitszellen gleichgerichtet sind. Zahlreiche Einkristallen wurden zu einer Probe von etwa 2g Masse zusammengenommen und einheitlich orientiert, um eine ausreichende Masse für Neutronenstreuexperimente zu bekommen. Die Messungen wurden an Neutronen-Dreiachsenspektrometer durchgeführt in denen Spinanregungen um den antiferromagnetischen Ordnungsvektor mit Energien bis zu 50meV gemessen wurden. Der Einfluss von Zink oder einem Magnetfeld hat Einfluss auf das Spinanregungsspektrum, welches durch Resonanzmode, Spinlücke und eine Uhrglassdispersion gekennzeichnet ist. Durch Zink ist das Spektrum für YBa2(Cu0.98Zn0.02)3O6.6 um die Resonanzmode quantitativ unverändert, jedoch verschwindet deren markante Temperaturabhängigkeit. Bei tieferen Energien tauchen mit der Zinkdotierung innerhalb der Spinlücke neue quasi-statische Anregungen auf, welche schon so ähnlich in verwandten Verbindungen gefunden wurden. Die induzierten Spinanregungen weisen eine klare Anisotropy innerhalb der Kupratebenen auf. Die gesammelten Neutronstreudaten werden mit anderen Messmethoden verglichen, die ähnliche Hinweise erbrachten. Ein weitere untersuchte Verbindung ist das YBa2(Cu0.98Zn0.02)3O6.45 welches eine noch niedrigere Sauerstoffdotierung aufweist. Das übliche Bilayer-korrelierte Signal weist keine wesentliche Zinkabhängigkeit auf, jedoch induziert Zinkdotierung ein neues Signal, welches auf Ordnung zwischen den Kupratebenen hinweist. Durch Vergleiche mit anderen Messdaten wird der Schluss gezogen, dass das Spinanregungsspektrum von Stoffe mit gleicher kritischen supraleitenden Temperatur ähnlich ist, unabhängig durch welche Faktoren diese erreicht wird. Weitere Untersuchungen beinhalteten den Magnetfeldeffekt auf YBa2Cu3O6.45. Ähnlich vorherigen Messungen an anderen Kupraten, wurde hier eine magnetfeld-induzierte Verstärkung der tiefenergetischen Anregungen gefunden. Sowohl das statische Signal, als auch inelastische Anregungen um 4meV sind verstärkt. Letzteres deutet auf Überbleibsel einer sonst nicht identifizierbaren Resonanzmode hin. Zu letzt werden in dieser Arbeit der Magnetfeldeffekt und der Zinkeffekt mit Messungen durch andere Methoden verglichen und zahlreiche Gemeinsamkeiten hervorgehoben.