Magnetic correlations and ¹³⁹La NQR relaxation in La_2−x Sr _x CuO_4−y

Summary

¹³⁹La NQR spin-spin and spin-lattice relaxation measurements in La_2−x Sr _x CuO_4−y are presented, for x ranging from zero to 0.3 and for variable oxygen content, in the temperature range (1.6÷450) K. The data are analysed in terms of the different possible relaxation mechanisms. The dominant relaxation mechanism over most of the x and T range is associated with the Cu⁺⁺−Cu⁺⁺ magnetic correlations and spin dynamics. To explain the data we introduce a heuristic model whereby the degree of magnetic correlations, that would result from the strength of the Cu−Cu exchange coupling, is reduced by mobile charge defects (solitons or holons) causing a liquidlike thermal bath of magnetic excitations described by a concentration-dependent and thermally activated correlation time τ_d. The activation energy for τ_d is inversely proportional to the concentration of mobile defects. It is shown that the T ₁ data yield the x and T dependence of the correlation length, with quantitative estimate in agreement with neutron scattering results. Some implications of the model on other quantities, like magnetic susceptibility, x dependence of the Neel temperature and electric conductivity, are briefly discussed.

Riassunto

Sono presentate misure di rilassamento NQR spin-spin e spin-reticolo per ¹³⁹La in La_2−x Sr _x CuO_4−y , per x compreso tra 0 e 0.3 e a contenuto variabile di ossigeno, nell’intervallo di temperatura T tra 1.6 e 450 K. I risultati delle misure vengono dapprima analizzati alla luce dei possibili meccanismi di rilassamento e si mostra come in un ampio intervallo di valori di x e di T il meccanismo dominante è costituito dalla dinamica e dalle correlazioni degli spin di Cu⁺⁺. Allo scopo di spiegare i risultati ottenuti, viene introdotto un modello euristico in cui il grado di correlazione magnetica che conseguirebbe dall’interazione di superscambio Cu−Cu viene ridotto da difetti mobili (solitoni o holoni) che insediano un bagno termico di eccitazioni magnetiche simile a un liquido, descritto da un tempo di correlazione τ_d che dipende dalla concentrazione di tali difetti ed è termicamente attivato. L’energia di attivazione per τ_d risulta inversamente proporzionale alla concentrazione di difetti mobili. Oltre a giustificare compiutamente le risultanze sperimentali, tale modello consente di ricavare quantitativamente la dipendenza da x e da T della lunghezza di correlazione, che risulta in accordo con quella nota a T=77K dallo scattering di neutroni. Sono anche brevemente discusse le implicazioni del modello su altre grandezze come la suscettività magnetica, la dipendenza della temperatura di Neel da x e la conducibilità elettrica.

Резюме

Приводятся результаты измерений ¹³⁹La NQR спин-спиновой и спинрешеточной релаксации в La_2−x Sr _x CuO_4−y для x в области от 0 до x=0.3 и для различного содержания кислорода, в области температур (1.6÷450)K. Полученные данные анализируются в терминах различных механизмов релаксации. Доминиркющий механизм релаксации для большенства значений x и в рассматриваемой области температур связан с магнитными корреляциями Cu⁺⁺−Cu⁺⁺ и спиновой динамикой. Для объяснения полученных данных мы вводим эвристическую модель, с помощью которой степень магнитных корреляций, которые зависят от силы Cu−Cu обменной связи, сводится к подвижным заряженным дефектам (солитовы или голоны), обусловленным термостатом магнитных возбужений, описываемых зависящим от концентрации и термически активированным временем корреляции τ_d. Энергия активации для τ_d обратно пропорциональна концентрации подвижных дефектов. Показывается, что данные для T ₁ определяют зависимость корреляции от x и от T, причем количественная оценка согласуется с данными по рассеянию нейтронов. Вкратце обсуждаются возможные применения предложенной модели к другим величинам: магнитной восприимчивости, зависимости температуры Нееля (точки Кюри) от x и электропроводности.