[論文レビュー] A new method for direct rf power absorption studies in CMR materials and high T_c superconductors

S. Sarangi, S. V. Bhat|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2005

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、74LS04 NOT ゲートを用いた自己共振型 LC オシレーター回路を提案し、巨大磁気抵抗（CMR）および高臨界温度超伝導酸化物材料におけるマイクロ波電力吸収を直接測定する新規な設定を提示する。試料をコイルのコアに配置した際のオシレーター回路内の電流変化をモニタリングすることにより、10⁻³ cm³ の極めて小さな試料に対しても高い感度（SNR = 10:1）を達成し、4.2 K から 400 K まで、および最大 1.4 T の磁場下で、温度および磁場に合わせて調整可能な自動測定を可能にする。LSMO および YBCO の試料を用いた検証がなされた。

ABSTRACT

The design, fabrication and performance of an apparatus for the measurement of direct rf power absorption in colossal magnetoresistive (CMR) and superconducting samples are described. The system consists of a self-resonant LC tank circuit of an oscillator driven by a NOT logic gate. The samples under investigation are placed in the core of the coil forming the inductance L and the absorbed power is determined from the measured change in the current supplied to the oscillator circuit. A customized low temperature insert is used to integrate the experiment with a commercial Oxford Instruments cryostat and temperature controller. The oscillator working in the rf range between 1 MHz to 25 MHz is built around an IC 74LS04. The temperature can be varied from 4.2 to 400 K and the magnetic field from 0 to 1.4 T. The apparatus is capable of measuring direct power absorption in CMR and superconducting samples of volume as small as 1/1000 cm^3 with a signal to noise ratio of 10:1. Further increase in the sensitivity can be obtained by summing the results of repeated measurements obtained at a given temperature. The system performance is evaluated by measuring the absorbed power in La_0.7 Sr_0.3 MnO_3 (LSMO) CMR manganite samples and superconducting Y Ba_2 Cu_3 O_7 (YBCO) samples at different rf frequencies. All operations during the measurements are automated using a computer with a menu-driven software system, user input being required only for the initiation of the measurement sequence.

研究の動機と目的

• 巨大磁気抵抗酸化物や高臨界温度超伝導体のような弱い電力吸収特性を示す材料における、RF 電力吸収を直接かつ感度高く測定する方法の開発。
• 変動温度および磁場下での複雑酸化物のマイクロ波応答を研究するにあたり、従来の間接的または感度が低い手法の限界を克服すること。
• 信号対雑音比（SNR）が高く、1/1000 cm³ のような極めて小さな試料についても定量的測定が可能な RF 電力吸収測定を実現すること。
• 4.2 K から 400 K の範囲で精密な温度制御が可能な商用冷温器と測定システムを統合すること。
• メニュー駆動型ソフトウェアインターフェースを用いた測定プロセスの自動化により、再現性と使用の容易さを向上させること。

提案手法

• 装置は、1–25 MHz の周波数範囲で動作する 74LS04 NOT ゲート IC で駆動される自己共振型 LC レジオン回路を採用している。
• インダクタ（L）はソレノイドコイルであり、試料をそのコアに配置することで、オシレーター回路内の電流変化を直接測定することにより、RF 電力吸収を測定可能である。
• 電力吸収は、試料が LC 回路の Q 因数または抵抗を変化させることで、オシレーターへの供給電流に変化が生じることから推定される。
• 低温用カスタムインサートにより、オックスフォード・インスツルメンツ社の冷温器および温度制御装置と統合可能であり、4.2 K から 400 K の測定が可能である。
• 外部の電磁石により最大 1.4 T の磁場を発生させ、熱的および磁場的条件を併用した制御下での測定が可能である。
• コンピュータ制御のメニュー駆動型ソフトウェアインターフェースを用いて測定シーケンスを自動化し、ユーザーが起動するだけで済む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己共振型 LC オシレーター回路は、CMR や高臨界温度超伝導酸化物材料における直接的な RF 電力吸収測定に効果的に用いることができるか？
• RQ2 この手法を用いて、十分な信号対雑音比（SNR）を達成できる最小の試料体積はどの程度か？
• RQ3 La₀.₇Sr₀.₃MnO₃（LSMO）のようなマンガン酸土の CMR 酸化物および YBCO 超伝導酸化物において、RF 電力吸収は温度および磁場の変化にどのように応答するか？
• RQ4 低温下における弱い電力吸収特性を示す材料に対して、本システムは十分な感度および安定性を備えており、定量的測定が可能か？
• RQ5 繰り返し測定の信号平均処理により、測定感度をどの程度向上できるか？

主な発見

• 本システムは、1/1000 cm³ のような極めて小さな試料に対しても、RF 電力吸収測定で 10:1 の信号対雑音比（SNR）を達成した。
• 本手法は、La₀.₇Sr₀.₃MnO₃（LSMO）および YBa₂Cu₃O₇（YBCO）試料の両方において、1–25 MHz の周波数範囲で RF 電力吸収を正常に測定した。
• 装置は 4.2 K から 400 K の温度範囲および最大 1.4 T の磁場下で測定を可能としている。
• 繰り返し測定の合算により、システムの感度をさらに向上させることができ、有効な信号対雑音比が向上する。
• 自動化されたソフトウェアインターフェースにより、最小限のユーザー介入で信頼性の高い再現性のあるデータ取得が可能となった。
• 既知の CMR 酸化物および超伝導酸化物材料を用いた一貫性があり再現性の高い測定がなされたことから、本システムの低出力 RF 吸収研究への実用性が確認された。