The Effect of Magnetic and Non-Magnetic Impurities on Crystal Structure and Magnetic Properties of Electron-Doped Eu2-xCexCuO4 in Overdoped Regime

技术摘要：磁性与非磁性杂质对过掺杂态 Eu$_{2-x}$Ce$_x$CuO$_4$ 的影响

问题陈述
高温超导铜氧化物（HTSC）仍然是凝聚态物理研究的焦点，特别是关于超导机制以及寻找室温超导体的研究。虽然空穴掺杂铜氧化物中杂质的影响已得到充分研究，但电子掺杂铜氧化物的磁基态，特别是在优化掺杂至过掺杂边界附近（掺杂水平 $x \approx 0.16–0.17$）的区域，研究仍较少。该区域至关重要，因为它可能存在一个分隔费米液体与非费米液体机制的量子临界点（QCP）。以往的研究表明，即使是极低浓度（1%）的磁性（Fe）或非磁性（Zn）杂质也能完全抑制超导电性。然而，在过掺杂态的 Eu$_{2-x}$Ce$_x$CuO$_4$ (ECCO) 中，极稀释杂质水平（$y \approx 0.5\%$）对磁基态及结构响应的具体性质尚未得到系统性的研究。本研究旨在阐明此类稀释取代如何改变磁基态，并在没有稀土磁性干扰的情况下抑制超导电性，因为 Eu$^{3+}$ 在其基态下不具备磁矩。

研究方法
本研究采用固相反应法合成了两组样品：磁性杂质掺杂的 Eu$_{(2-x)+y}$Ce$_{x-y}$Cu$_{1-y}$Fe$_y$O$_{4+\alpha-\delta}$ (ECCFO) 和非磁性杂质掺杂的 Eu$_{2-x}$Ce$_x$Cu$_{1-y}$Zn$_y$O$_{4+\delta}$ (ECCZO)。

• 成分： Ce 浓度（$x$）设定为 0.16 和 0.17（过掺杂区），杂质浓度（$y$）固定为 0.005 (0.5%)。
• 合成： 将前驱体（Eu$_2$O$_3$, CeO$_2$, CuO, Fe$_2$O$_3$, ZnO）混合、研磨，并在 1000°C 下进行烧结。将样品压制成块状，并在 900°C 的氩气流中进行退火，以减少过量氧含量。
• 表征：
  • 结构： 使用 X 射线衍射（XRD）（2$\theta$ = 20°–70°）进行表征，并使用 Rietveld 精修分析晶格参数、相纯度和晶体结构。
  • 磁性： 使用超导量子干涉仪（SQUID）在场冷却（FC）模式下测量磁化率（$\chi$）。测量在 5 Oe 磁场下，温度范围为 2 K 至 30 K。
  • 分析： 通过在 15 K 至 30 K 范围内对磁化率数据（$\chi$ 对 $1/T$）进行线性化处理，推导出磁性参数，特别是居里常数（$C$）和有效磁矩（$\mu_{eff}$）。

主要结果

1. 晶体结构： XRD 分析证实，无论杂质类型（Fe 或 Zn）或 Ce 浓度如何，所有样品均保持四方 T' 晶体结构（空间群 $I4/mmm$）。主要的衍射峰对应于米勒指数 (013) 和 (110)。晶格参数（$a=b$）范围为 3.905 Å 至 3.908 Å，$c$ 轴范围为 11.843 Å 至 11.850 Å。Cu-O 键长保持在约 1.953–1.954 Å。拟合优度（GoF）值（0.99–1.41）表明结构模型可靠。至关重要的是，0.5% 的杂质取代并未显著改变晶体结构。
2. 磁行为： SQUID 测量显示，所有样品均表现出顺磁行为，即使在 0.5% 的低杂质水平下，也没有观察到指示超导性的抗磁转变。磁响应微弱、呈正值，且在 30 K 以下几乎与温度无关。
3. 磁性参数： 对于 Fe 和 Zn 掺杂样品，随着 Ce 浓度升高（$x=0.17$ 对比 $x=0.16$），居里常数（$C$）和有效磁矩（$\mu_{eff}$）均有所增加。
   • 对于 ECCFO ($x=0.17$)，$\mu_{eff}$ 为 $0.1898 \pm 0.004 \mu_B$。
   • 对于 ECCZO ($x=0.17$)，$\mu_{eff}$ 为 $0.1807 \pm 0.005 \mu_B$。
   • 引入磁性（Fe）和非磁性（Zn）杂质导致 $C$ 和 $\mu_{eff}$ 值高于未掺杂的参考样品，表明增强了局域磁性贡献。

意义与结论
本文声称，仅通过在 Cu 位点取代极少量的（0.5%）磁性（Fe）或非磁性（Zn）杂质，就足以完全抑制过掺杂 Eu$_{2-x}$Ce$_x$CuO$_4$ 的超导电性。该研究为杂质驱动的磁性在电子掺杂铜氧化物中的作用提供了新的见解。具体而言，观察到的居里常数和有效磁矩的增加表明，两种类型的杂质都会对 CuO$_2$ 面产生强烈的扰动，从而导致配对破坏以及潜在的散射，进而增强局域自旋涨落。这些发现支持了这样一种观点：即杂质取代是揭示这些材料底层磁基态的一种强有力工具，即使在不存在长程磁有序的情况下也是如此。这项工作强调，在过掺杂边界附近的磁基态对稀释杂质高度敏感，这些杂质主导了系统的磁响应。