[論文レビュー] Determining the absolute value of magnetic penetration depth in small-sized superconducting films

Ruozhou Zhang, Mingyang Qin+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 43被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、従来のフラックスリークセブトラクション（FLS）法の制限を克服し、小型で多角形の超伝導膜における絶対的磁界浸透深度λを直接的に決定する高速ウェーブレットコロケーション（FWC）法を提案する。FWC法により、膜のサイズに依存しない高精度なλ抽出が可能となり、特にエッジ電流効果が顕著な5×5 mm²の膜においてFLS法が失敗する状況でも、一貫したλ値が得られることを実証した。

ABSTRACT

In the previous four decades, a two-coil mutual inductance (MI) technique has been widely employed in characterizing magnetic penetration depth, $\lambda$, of superconducting films. However, the conventional methods used to obtain $\lambda$ are not applicable to small-sized films with common shapes, which limits the application of the MI technique in superconductivity research. Here, we first employed the fast wavelet collocation (FWC) method to a two-coil system and then proposed the possibility of directly obtaining the absolute $\lambda$ of polygonal superconducting films with arbitrary sizes. To verify its accuracy and advantages, we extracted the $\lambda$ values of square NbN films with different sizes using the FWC and conventional flux leakage subtraction (FLS) methods. Notably, the FLS method fails for a $5 imes 5 \, m mm^2$ film, which is attributed to the significant current peak at the film edge. In contrast, the absolute $\lambda$ extracted using the FWC method was independent of the film size. Finally, we established the applicability of the FWC method to large coil spacings, which may pave the way for integrating high-accuracy $\lambda$ measurements with the ionic liquid gating technique.

研究の動機と目的

• 小型超伝導膜における従来のフラックスリークセブトラクション（FLS）法が絶対的磁界浸透深度λを正確に決定できない問題を解決すること。
• エッジ電流効果が顕著な膜、例えば5×5 mm²の正方形NbN膜においてFLS法が失敗する問題に対処すること。
• 任意のサイズおよび形状の多角形超伝導膜に適用可能な数値的手法を開発すること。
• イオン液体ゲーティングなどの先進的技術と併用可能な、大間隔コイル構成にも対応できる高精度なλ測定を可能にすること。

提案手法

• 2コイル系における相互インダクタンスを記述する積分方程式を解くために、高速ウェーブレットコロケーション（FWC）法を用いる。
• ウェーブレットに基づくコロケーションを用いて、膜上におけるスクリーニング電流分布をモデル化し、複雑な幾何形状およびエッジ効果を扱う。
• FWC法を用いて、フラックスリークセブトラクションに依存せずに、測定された相互インダクタンスデータから直接λを抽出する。
• さまざまなサイズの正方形NbN膜を用いて、FWC法で抽出したλ値と従来のFLS法による結果を比較することで、手法の妥当性を検証する。
• 異なる膜サイズにおける一貫性のあるλ値の抽出を示すことで、手法のロバスト性を確立する。特に、FLS法が失敗する大型膜に対しても有効であることを示した。
• FWCフレームワークを大間隔コイル構成に拡張し、今後のイオン液体ゲーティングやその他のイン・スイ・測定技術との統合を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FWC法は、非円形の小型超伝導膜において、絶対的磁界浸透深度λを高精度かつサイズに依存しない方法で決定できるか？
• RQ2 なぜ従来のFLS法は、5×5 mm²の正方形NbN膜のような大型で小型の膜において失敗するのか？
• RQ3 コイル間隔が拡大する場合、FWC法はどれほど精度を保ち、イン・スイ・技術と互換性を持つのか？
• RQ4 FWC法は、従来のFLS手法でフラックスリークの補正が歪む強力なエッジ電流効果に対しても、どのように対処できるのか？
• RQ5 FWC法は、幾何形状や対称性に関する事前の仮定なしに、任意の多角形膜形状およびサイズに一般化可能か？

主な発見

• FWC法は、さまざまなサイズの正方形NbN膜に対して、膜サイズに依存しない一貫した値をもって絶対的磁界浸透深度λを正確に抽出した。
• 5×5 mm²のNbN膜では、膜の縁に顕著な電流ピークが生じ、これがフラックスリーク補正を著しく歪めたため、従来のFLS法は失敗した。
• FWC法は、強力なエッジ効果が存在する状況においても、正確なλ抽出を実現し、FLS法の適用限界をはるかに超えてロバストであることを示した。
• FWC法は膜サイズに依存しないことが実証され、異なる膜寸法においても抽出されたλ値が一定に保たれた。
• FWC法は大間隔コイル構成にも適用可能であり、今後のイオン液体ゲーティングやその他のイン・スイ・測定技術との統合が可能であることが示された。
• FWC法は、小型で非円形の超伝導膜におけるλ測定において、FLS法の信頼できるサイズに依存しない代替手法を提供する。