[論文レビュー] Designing high-performance superconductors with nanoparticle inclusions: comparisons to strong pinning theory

Sarah C. Jones, Masashi Miura+5 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 90被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、ナノ粒子を含む (Y0.77,Gd0.23)Ba2Cu3O7−δ 超伝導膜における渦ピンギングを調査し、強力ピンギング理論に従って臨界電流密度 (Jc) が Jc ∝ B−α のべき乗則的依存関係を示すことを実証した。主な発見は、α がナノ粒子密度の増加に伴い減少し、コherence長（ξ）で正規化したナノ粒子サイズ（d/ξ）の増加に伴い増加することであり、高磁場領域における Jc の B−1 に近い減衰は、1粒子あたりの渦捕獲を示唆しており、クレープ率 S は α のトレンドと一致する。

ABSTRACT

One of the most promising routes for achieving unprecedentedly high critical currents in superconductors is to incorporate dispersed, non-superconducting nanoparticles to control the dissipative motion of vortices. However, these inclusions reduce the overall superconducting volume and can strain the interlaying superconducting matrix, which can detrimentally reduce $T_c$. Consequently, an optimal balance must be achieved between the nanoparticle density $n_p$ and size $d$. Determining this balance requires garnering a better understanding of vortex-nanoparticle interactions, described by strong pinning theory. Here, we map the dependence of the critical current on nanoparticle size and density in (Y$_{0.77}$,Gd$_{0.23}$)Ba$_2$Cu$_3$O$_{7-\delta}$ films in magnetic fields up to 35 T, and compare the trends to recent results from time-dependent Ginzburg-Landau simulations. We identify consistencies between the field-dependent critical current $J_c(B)$ and expectations from strong pinning theory. Specifically, we find that that $J_c \propto B^{-\alpha}$, where $\alpha$ decreases from $0.66$ to $0.2$ with increasing density of nanoparticles and increases roughly linearly with nanoparticle size $d/\xi$ (normalized to the coherence length). At high fields, the critical current decays faster ($\sim B^{-1}$), suggestive that each nanoparticle has captured a vortex. When nanoparticles capture more than one vortex, a small, high-field peak is expected in $J_c(B)$. Due to a spread in defect sizes, this novel peak effect remains unresolved here. Lastly, we reveal that the dependence of the vortex creep rate $S$ on nanoparticle size and density roughly mirrors that of $\alpha$, and compare our results to low-$T$ nonlinearities in $S(T)$ that are predicted by strong pinning theory.

研究の動機と目的

• ナノ粒子のサイズおよび密度が高Tc超伝導体における渦ピンギングおよび臨界電流密度 (Jc) に与える影響を理解すること。
• 強力ピンギング理論の予測を、最大35 Tの高磁場および低温度（T/Tc ≈ 0.05–0.5）条件下で検証すること。
• YBCO膜にナノ粒子を添加した場合に観察される非単調的クレープ率 S(T) の起源を解明すること。
• Tc の劣化を引き起こさずに Jc を最大化するためのナノ粒子密度とサイズの最適なバランスを特定すること。

提案手法

• ナノ粒子のサイズ（d）および密度（np）を制御した (Y0.77,Gd0.23)Ba2Cu3O7−δ エピタキシャル薄膜を調製した。
• 低温度（T/Tc ≈ 0.05–0.5）で最大35 Tまでの磁場依存臨界電流密度 Jc(B) を測定し、強力ピンギング効果を分離した。
• Jc(B) データをべき乗則形 Jc ∝ B−α にフィットさせ、np および d/ξ（coherence長 ξ で正規化）の関数として α を抽出した。
• 磁場緩和測定を用いて渦クレープ率 S を分析し、その np および d への依存性を理論的予測と比較した。
• 実験的 Jc(B) および S(np, d) の傾向を、時間に依存するギンツブルグ＝ランダウ（TDGL）シミュレーションおよび強力ピンギング理論の定式化と比較した。
• 複数の渦が1つのナノ粒子に捕獲される集団的効果が、高磁場領域における Jc(B) のピークとして顕在化するかどうかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノ粒子密度（np）およびサイズ（d）は、強力ピンギング条件下におけるYBCO膜の Jc(B) の磁場依存性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 実験的 Jc(B) 傾向は、特にべき乗則的挙動 Jc ∝ B−α において、強力ピンギング理論の予測とどの程度一致するか？
• RQ3 1つのナノ粒子に複数の渦が捕獲されることで、高磁場領域に明確な Jc(B) ピークが現れるのか？ なぜ本研究ではそのピークが解明されないのか？
• RQ4 渦クレープ率 S はナノ粒子サイズおよび密度にどのように依存するか？ また、その依存性はべき乗則指数 α の挙動と一致するか？

主な発見

• 低磁場領域では Jc がナノ粒子密度（np）にほぼ線形に増加するが、高密度領域では飽和するため、欠陥密度の増加による Jc の向上には限界があることが示された。
• Jc ∝ B−α におけるべき乗則指数 α は、ナノ粒子密度の増加に伴い 0.66 から 0.2 に減少し、強力ピンギング理論と整合的である。
• α はナノ粒子サイズを coherence 長（ξ）で正規化した d/ξ に対して線形に増加し、理論的予測である「より大きな欠陥がピンギング強度を向上させる」ことを確認した。
• 高磁場領域（B > 10 T）では Jc がほぼ B−1 に従って減少し、1つのナノ粒子が1つの渦を捕獲している可能性を示唆しており、渦の飽和と整合的である。
• 欠陥サイズの分布が存在するため、理論で予測される集団的複数渦捕獲効果が抑制され、高磁場領域に明確な Jc(B) ピークが観察されなかった。
• 渦クレープ率 S はナノ粒子密度の増加に伴い減少し、d/ξ の増加に伴い増加するが、その np および d/ξ への依存性は、指数 α のトレンドと密接に一致しており、強力ピンギング理論の予測を支持する。