[論文レビュー] Flux jumps and vortex pinning in Ba$_{0.65}$Na$_{0.35}$Fe$_2$As$_2$ single crystals

A. K. Pramanik, Saicharan Aswartham+4 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2012

Iron-based superconductors research参考文献 58被引用数 19

ひとこと要約

本研究では、スピン密度波と超伝導の共存を示す穴ドープBa₀.₆₅Na₀.₃₅Fe₂As₂単結晶におけるフラックスジャンプとヴォルテックスピンナップを、等温磁化（M(H)）および磁化緩和測定を用いて調査した。顕著な第二ピーク（フィッシュテール効果）と低温での強いフラックスジャンプが観測され、臨界電流密度Jcは10⁶ A/cm²を超える。これは主に密度の高い点欠陥による集団的（弱い）ピンナップに起因する。一方、磁化安定性の向上は断熱モデルではなく、フラックスクリープに起因する。

ABSTRACT

In this work we present the results of the bulk magnetization measurements in a superconducting state of single crystals of Ba$_{0.65}$Na$_{0.35}$Fe$_2$As$_2$. The isothermal magnetic field ($H||c$ axis) dependent magnetization ($M$) loops exhibit a second peak (SP) or `fishtail effect', as well as remarkable flux jumps at low temperatures. The critical current density $J_c$ obtained from the $M(H)$ loops is rather high, of the order of 10$^6$ A/cm$^2$. The analysis of the temperature and field dependent $J_c$ implies that high $J_c$ is mainly due to collective (weak) pinning of vortices by dense microscopic point defects with some contribution from a strong pinning mechanism. Pronounced magnetic instabilities in terms of flux jumps depend strongly on temperature as well on the field sweep rate. The field for first flux jump as calculated from an adiabatic model, however, is much lower than the experimentally observed values, and this enhanced stability is attributed to a flux creep phenomenon. The analysis of field dependent magnetic relaxation data additionally supports a collective pinning model. The data further suggests that SP in M(H) is likely related to crossover in creep dynamics from elastic to plastic mechanism. We have constructed the vortex phase diagram on field-temperature plane.

研究の動機と目的

• 穴ドープBa₀.₆₅Na₀.₃₅Fe₂As₂単結晶におけるフラックスジャンプおよびヴォルテックスピンナップ機構の解明。
• 等温M(H)ループにおける第二ピーク（フィッシュテール効果）の起源の特定。
• フラックスクリープおよびスキャン速度の影響がフラックスジャンプの抑制または遅延に与える役割の分析。
• 実用的・基礎的洞察を得るため、磁場-温度平面におけるヴォルテックス相図の構築。
• 高臨界電流密度（Jc）に寄与する集団的ピンナップと強いピンナップ機構の寄与の評価。

提案手法

• 磁場をc軸方向に印加したSQUID-VSMを用いてバルク磁化測定を実施。
• フィッシュテール効果およびフラックスジャンプの検出を目的に、さまざまな温度で等温M(H)ループを取得。
• ビーン臨界状態モデルを用いてM(H)ループからJcを計算し、その温度および磁場依存性を分析。
• 磁場依存性磁化緩和（M(t)）測定を実施し、ヴォルテックスクリープダイナミクスを調査。
• 理論的フラックスジャンプ磁場を推定するため断熱モデルを適用し、実験値と比較。
• 特徴的な磁場（H_irr, H_p, H_m）を関数形H_x(T) = H_x(0)(1 - T/T_c)^nにフィットさせ、臨界指数を抽出し、ヴォルテックス相図を構築。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ba₀.₆₅Na₀.₃₅Fe₂As₂の等温M(H)ループに顕著な第二ピーク（フィッシュテール効果）が観測される原因は何か？
• RQ2 なぜ低温でフラックスジャンプが観測され、スキャン速度および温度に依存するのか？
• RQ3 実験的に観測された最初のフラックスジャンプ磁場が、断熱モデルの予測よりも顕著に高いのはなぜか？
• RQ4 本材料における高いJc（>10⁶ A/cm²）を生じさせる支配的ヴォルテックスピンナップ機構は何か？
• RQ5 磁場-温度平面におけるヴォルテックス相図は、この超伝導体の安定性および応用可能性をどのように反映しているか？

主な発見

• 等温M(H)ループは、Tc = 29.4 Kに近い温度まで顕著な第二ピーク（フィッシュテール効果）を示す。
• フラックスジャンプは低温で観測され、スキャン速度が遅くなるほど強く抑制され、最初のフラックスジャンプ磁場（H_fj）が上昇する。
• 実験的に観測されたH_fjは断熱モデルの予測を著しく上回っており、フラックスクリープに起因する安定性の向上を示唆する。
• 2 Kにおける臨界電流密度Jcは10⁶ A/cm²を超えるが、これは主に密度の高い微視的点欠陥による集団的（弱い）ピンナップに起因する。
• 磁化緩和データは集団的ピンナップモデルを支持しており、M(H)における第二ピークは弾性クリープから塑性クリープへの遷移に起因する可能性が示唆される。
• ヴォルテックス相図は、ヴォルテックス液体相が狭い領域に限定されているのに対し、ヴォルテックス固体相が支配的であることを示しており、高い実用的安定性を示している。