[論文レビュー] Magnetic evidence for hot superconductivity in multi-walled carbon nanotubes

Guo‐meng Zhao, Pieder Beeli|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2005

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

ひとこと要約

本研究は、室温を超える温度で超伝導を示す多層カーボンナノチューブ（MWNTs）に対する磁気的証拠を提示する。2つの明確な転移が観察された：1つは533–700 Kで、グレイン間のジョセフソン結合に起因するとされ、もう1つは約1200 K付近に位置する。この結果は、磁場依存の転移、2%（直接測定）および14%（推定）のマイスナー効果に起因する反磁性分率、および700 Kまで持続する残留磁化の存在により裏付けられており、準一次元系としての高温超伝導の強力な証拠を示している。

ABSTRACT

We report magnetic measurements up to 1200 K on three different multi-walled carbon nanotube mat samples using Quantum Design vibrating sample magnetometers. Three different samples prepared from arc discharge or chemical vapor deposition contain magnetic impurities ranging from about 100 ppm to about 1.5%. Our precise magnetic data clearly show two superconducting transitions, one at temperatures between 533 K and 700 K, and another at about 1200 K. The first transition temperature T_cJ, which coincides with the transition temperature seen in the resistance data, depends very strongly on the magnetic field, as expected from the onset of intergrain Josephson coupling in granular superconductors. The strong field dependence of T_cJ also excludes magnetic contaminants as the origin of the first transition. We also present direct and inferred diamagnetic Meissner fractions of 2 and 14%, respectively. The present results provide compelling evidence for superconductivity well above room temperature in multi-walled carbon nanotubes.

研究の動機と目的

• 室温を超える温度で多層カーボンナノチューブ（MWNTs）に高温超伝導が存在することを、決定的な磁気的証拠で示すこと。
• 磁場依存測定を用いて、磁性不純物の寄与とは異なる、内在的な超伝導転移を区別すること。
• 反磁性応答、残留磁化、転移温度の磁場依存性を通じて、グレイン状超伝導の存在を検証すること。
• これまでの報告に矛盾する室温超伝導の報告を解消するため、高精度・高温度磁化測定データを提供すること。

提案手法

• 3つの不純物含有量が異なるMWNTマット試料を用い、1200 Kまでを対象に、Quantum Design社のバイブレーティング・サンプル磁化計（VSM）を用いて磁気測定を実施した。
• 超低磁場操作（最小0.03 Oe）により、マイスナー効果に起因する微弱な反磁性信号を検出可能となった。
• 冷却磁化（FC）およびゼロ磁場冷却（ZFC）曲線を分析し、超伝導転移および残留磁化を特定した。
• 冷却および加熱サイクルにおける磁化率の温度依存性を測定し、ヒステリシスおよび持続的電流の存在を検出した。
• 直接測定されたマイスナー効果から反磁性分率を算出し、ZFCとFC曲線の差異から推定された反磁性分率を算出した。
• グレイン間転移温度$T_{cJ}$の磁場依存性を分析し、ジョセフソン結合の存在を確認するとともに、磁性不純物の寄与を除外した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1200 Kまでの磁気測定により、多層カーボンナノチューブにおける超伝導が決定的に証明できるか？
• RQ2 700 K付近に観察された超伝導転移の起源は何か。磁場依存性はどのように変化するか？
• RQ3 観察された反磁性応答および残留磁化は、磁性不純物の寄与と区別できるか？
• RQ4 1200 K付近の高温転移はナノチューブ自体の内在的性質に起因するか、外部相に起因するか？
• RQ5 磁気的シグナルは、炭素ナノチューブに関する従来の抵抗率および分光的データとどのように整合するか？

主な発見

• 2つの明確な超伝導転移が観察された：1つは533–700 K、もう1つは約1200 K。低温度側の転移は、以前に報告された抵抗測定の転移と一致した。
• グレイン間転移温度$T_{cJ}$は強い磁場依存性を示し、グレイン状超伝導体におけるジョセフソン結合の性質と整合し、磁性不純物の寄与とは矛盾する。
• 室温で直接測定された反磁性マイスナー分率は2%であった。これは、少なくとも2桁以上大きな軌道的反磁性寄与を上回っていた。
• 室温における推定反磁性分率は14%であった。これは顕著な超伝導応答を示している。
• 超伝導的残留磁化は700 Kまで持続した。これは、この温度未満で試料の一部がゼロ抵抗状態にあったことを示している。
• ナノチューブの内在的反磁性磁化率は330 Kで$-2.5 \times 10^{-3}$ emu/gであった。これは完全マイスナー効果の約7%に相当し、内在的超伝導の存在を確認した。