Muon SR study on LaCoO3

Abstract

LaCoO3 is a semiconducting oxide with a rhombohedral distorted perovskite structure. Zero Field (ZF) and Longitudinal Field (LF) muon SR (Spin Relaxation) on a single crystal of LaCoO3 showed that the depolarization rate was enhanced and a part of the initial asymmetry was lost below about 100 K. This result means that strongly fluctuating hyperfine fields appear at the muon site below about 100 K, even though the Co-spin starts to be in the low spin state with S = O. Thus, in order to investigate the hyperfine fields at the muon site, the muon SR measurement was carried out in the strong Transverse Field (TF) using a DC-muon beam. Fast and slowly depolarizing components were observed below about 150 K. From the shift of precession frequencies of the both components in TF of 9.15 kG, the almost zero shift was observed above 150 K, but the shift of the fast-depolarizing component increased with decreasing temperature below about 150 K. The increased shift indicates the appearance of a hyperfine field at the muon site, even though the Cospin is suggested to be in the low-spin state with S = O in this temperature region. Because the enhanced depolarization rate was also observed in TF of 9.15 kG, this hyperfine field is strongly fluctuating as expected from the LF and ZF muon SR measurements. The appearance of the dynamically fluctuating hyperfine fields at the muon site in the nonmagnetic ground state is well observed in Haldane systems and Spin Peierls systems. In these cases, it is discussd that the injected muon deforms the surrounding electronic-state and impurity-like magnetic moments are induced near the muon site. Similar phenomenon may occur also in LaCoO3.

LaCoO3は3方晶系の歪をもつペロブスカイト構造の半導電性酸化物である。LaCoO3単結晶のゼロ磁場(ZF)および縦磁場(LF)μSR(ミューオンスピン緩和)は、約100K以下においては、偏極速度が増大し、初期非対称性の一部が失われることを示している。この結果は、CoのスピンがS=Oの低スピン状態から始まるとしても、ミューオンサイトには約100K以下で強い揺らぎをもつ超微細磁場が出現することを意味している。このことから、ミューオンサイトにおける超微細磁場を調べるため、DCミューオンビームを用いて、強い横磁場(TF)中でμSR測定を行った。約150K以下において、速い減極成分と遅い減極成分が観察された。両成分の9.15kGのTF中における歳差周波数のシフトから、150K以上ではほとんどシフトは観察されなかったが、速い減極成分のシフトは約150K以下の温度では温度が低下するにつれて増大した。この温度領域では、CoスピンがS=Oの低スピン状態にあると考えられる場合でも、シフトの増大はミューオンサイトに超微細磁場が出現することを示している。減極速度の増大は9.15kGのTFにおいても観察されるので、この超微細磁場はLFおよびZF-μSR測定から予想されるように大きく揺らいでいる。非磁性基底状態において、ミューオンサイトにおける動的に揺らぐ超微細磁場の出現は、ハルデン系やスピン・パイエルス系においてもよく見られる。これらの場合、注入されたミューオンが周辺の電子状態を変形させ、ミューオンサイトの近傍に不純物様の磁気モーメントが誘起されることを検討した。同様な現象はLaCoO3でも起こる可能性がある。