Untersuchung der Temperaturabhängigkeit der Cu-NQR-Spektren von Hoch-Tc- Supraleitern des HgBaCaCuO-Systems

Abstract

Kupfer-Sauerstoff-Ebenen sind die ``Träger'' der Supraleitung in Hoch-Tc- Kuprat-Supraleitern. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, mittels der Untersuchung der Temperaturabhängigkeit der Cu-NQR-Spektren sowie des Relaxationsverhaltens des Cu-Spin-Systems von Hoch-Tc-Supraleitern des HgBaCaCuO-Systems zu einem Verständnis der elektronischen Zustände der CuO- Ebenen in diesen Hoch-Tc-Supraleitern zu gelangen. Zur Messung der Temperaturabhängigkeit der Cu-NQR-Spektren in Supraleitern des HgBaCuO-Systems war eine extreme Erhöhung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses der Messungen erforderlich. Hierzu wurde ein Hf-Vorverstärker entwickelt, der mit flüssigem Helium auf 4,2 K gekühlt wird, dessen Eingangsrauschspannung den extrem niedrigen Wert von 50 pV/Hz-1/2 aufweist, bei einer Verstärkung von 17 dB. Mit der Entwicklung dieses Hf-Vorverstärkers ist es erstmals gelungen, die Temperaturabhängigkeit der Cu-NQR-Spektren in Hg-Kupratsupraleitern bis 140 K (Tc = 134 K) zu untersuchen. Gemessen wurde die Temperaturabhängigkeit der Cu-NQR-Spektren zweier unterschiedlich dotierter HgBaCaCuO-Kupratsupraleiter im Temperaturbereich von 4,2 K bis 140 K. Die eine Probe besitzt eine optimale Sauerstoffdotierung und hat die Zusammensetzung Hg0,8Cu0,2Ba2Ca2Cu3O8+? ( Tc = 134 K), während die andere Probe die Zusammensetzung Hg0,5Cu0,5Ba2Ca2Cu3O8F? (Tc = 134 K) besitzt und überwiegend mit Fluor dotiert ist. Die Kristallstruktur des HgBaCaCuO-Systems besitzt 3 CuO-Ebenen mit zwei inäquivalenten Gitterplätzen für das Kupfer der CuO-Ebenen. Bei 140 K zeigen beide Proben ein Cu-NQR-Spektrum bestehend aus zwei 63,65Cu-Linienpaaren entsprechend der inäquivalenten Gitterplätze. Bei tieferen Temperaturen spalten diese beiden Linienpaare jedoch in sechs Linienpaare auf. In der Saustoff dotierten Probe zeigt sich die Linienaufspaltung unterhalb von 120 K, in der Fluor dotierten Probe unterhalb von 100 K. Das longitudinale Relaxationsverhalten des Cu-Spin-Systems weist in beiden Proben ein dreifach- exponentielles Relaxationsverhalten auf, mit einer Abhängigkeit des Relaxationsverhaltens von den Anfangsbedingungen (Anzahl der Sättigungspulse). Solch ein Verhalten ist typisch ist für die Aufhebung der Kramers Entartung der Cu-Quadrupolniveaus durch ein magnetisches Feld. Die Relaxationszeiten liegen in der Größenordnung von 5 ms und 100 ms. Das transversale Relaxationsverhalten hingegen zeigte sich im gesamten Cu-NQR-Spektrum einfach- exponentiell, mit Zeitkonstanten in der Größenordnung von 50 µs bei 4,2 K. Aufgrund der vollständigen Aufhebung der Kramers Entartung, muß das Hyperfeinfeld eine Orientierung parallel zur Symmetrieachse des EFG-Tensors besitzen. Die maximalen Feldstärken betragen bei 4,2 K 785 G in der 1. Probe und 1480 G in der 2. Probe. Im Gegensatz zur antiferromagnetischen Phase der Hoch-Tc-Supraleiter oder der ``stripe phase'' in La2-xSrxCuO ist das Erscheinen des Hyperfeinfeldes weder mit einer Reduzierung des Tc-Wertes, noch mit einer mesoskopischen Ladungstrennung verbunden. Da weiterhin das gefundene magnetische Moment parallel zur c-Achse orientiert ist, liegt es nahe, das Hyperfeinfeld auf einen orbitalem Antiferromagentismus zurückzuführen, wie er aus der d-density- wave-Theorie von Chakravarty et al. folgt. Jedoch liegen die gefundenen Feldstärken ausserhalb der für den d-density-wave-Zustand geschätzten Größenordnung.

CuO planes are the source of superconductivity in high-Tc oxides. This work's aim is to achieve a deeper understanding of the electronic states of the CuO layers by means of investigating the temperature dependency of the Cu NQR spectra and analyzation of the relaxation behavior of the Cu spin system in high-Tc superconductors of the HgBaCaCuO system. In order to overcome the problem of the poor signal to noise ratio of the Cu NQR spectra in this particular compounds, a cryogenic r.f. amplifier cooled with liquid Helium was developed. The amplifier possess an extremely low voltage input noise of 50 pV/Hz-1/2 together with a gain of 17 dB and a recovery time in the µs range. By employing this amplifier it is possible to record the Cu NQR spectra in HgBaCaCuO compounds at temperatures up to Tc. The temperature dependence of the pure zero field 63/65Cu NQR spectra of a purely oxygen doped Hg0.8Cu0.2Ca2Ba2Cu3O8+? superconductor (Tc = 134 K) and a predominantly Fluorine doped Hg0.8Cu0.2Ca2Ba2Cu3O8F? sample (Tc = 134 K) has been investigated in the temperature range from 4.2 K to 140 K. From the crystal structure of the three layer Hg-1223 compound two 63/65Cu NQR resonance lines from the two inequivalent Cu lattice sites are expected. Above Tc at 140 K one clearly sees these expected numbers of resonance lines in the NQR spectrum. However, at lower temperatures these two resonance lines are split into 6 resonance lines. The line splitting occurs in the Oxygen doped sample below 120 K, whereas in the Fluorine doped sample the resonance lines split below 100 K. In both samples, the spin-lattice relaxation curve followes a triple exponential behavior with a strong dependence on the initial conditions (number of saturating pulses). Such a dependence is typical for a complete removal of the Kramers degeneracy of the Cu quadrupol level due to a magnetic field. The deduced spin lattice relaxation times are of the order of 5 ms and 100 ms, respectively. Furthermore, the spin-spin relaxation was found to be purely single exponential with a time constant of the order of 50 µs at 4.2 K. Since the Kramers degeneracy of the Cu quadrupol level is completely removed, the magnetic field has to be aligned in parallel to the symmetry axis of the EFG tensor. The maximum values of the magnetic fields at 4.2 K are 785 G in the purely Oxygen doped sample and 1480 G in the Fluorine doped sample. In contrast to the antiferromagnetic phase of high-Tc superconductors and the stripe phase ordering found in La2-xSrxCuO compounds, the presence of the hyperfine field in the investigated compounds is neither associated with a drop in the Tc curve nor a mesoscopic charge segregation (stripes). Furthermore, since the orientation of the magnetic field in the CuO layers is found to be parallel to the c-axis, the appearance of the hyperfine fields may be related to an orbital antiferromagnetism due to the formation of a d-density wave state as suggested by Chakravarty et al. However, the observed magnitude of the magnetic field is out of the estimated range expected for the field strength in a d-density wave state.