[論文レビュー] On the fundamental definition of critical current in superconductors

E. F. Talantsev|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2017

Superconducting Materials and Applications参考文献 2被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、従来の閾値電界（Ec = 1 μV/cm）よりも、表面磁束密度（Bsurf）の非線形性から線形性への遷移が、超伝導体における臨界電流（Ic）を定義するより根本的で信頼性の高い基準であると提唱する。2G高Tcテープの実験により、このBsurf遷移は、Ic_Eよりも10–15%低いIc_surfBで発生することが判明し、臨界電流定義における長年の曖昧さが、物理的に明確で測定可能な遷移点を特定することで解消された。

ABSTRACT

Transport critical current, Ic, is usually defined in terms of a threshold electric field criterion, Ec, with the convention Ec = 1 microVolt/cm, chosen somewhat arbitrarily to provide "reasonably small" electric power dissipation in practical devices. Thus Ic is not fundamentally determined. However, recently it was shown, that the self-field critical current of thin-film superconductors is indeed a fundamental property governed only by the London penetration depth. Here we reconsider the definition of critical current and resolve the apparent contradiction. We measure the field distribution across the width of 2G high-Tc superconducting tapes as the transport current is increased to Ic. We identify a threshold current, Ic_surfB, at which two physical events occur simultaneously: (i) an abrupt crossover from non-linear to linear dependence of the local surface magnetic flux density, Bsurf, as a function of transport current measured at any point on the superconductor surface. This effect was not reported previously. (ii) the appearance of a non-zero electric field, just above of the sensitivity of measuring system. In the present examples Ic_surfB is 10-15% lower than Ic_E determined by the Ec criterion. We propose the transition of Bsurf(I) from non-linear to linear as the most reliable and more fundamental technique for measuring transport critical currents.

研究の動機と目的

• 超伝導体における臨界電流（Ic）の根本的定義における曖昧さを解消すること。
• 任意の電界閾値とは異なり、物理的に明確で測定可能な遷移点を特定し、Icを定義すること。
• 増加する輸送電流に対する表面磁束密度（Bsurf）の応答が、Icのより信頼性の高い根本的基準を提供することを示すこと。
• 従来のEc = 1 μV/cmの基準が任意的であり、超伝導体物理学の根本的根拠に立たないことを挑戦すること。

提案手法

• 輸送電流を増加させた際の2G高Tc超伝導体テープの幅にわたる空間的磁界分布を測定する。
• 輸送電流の関数として、超伝導体表面のさまざまな点における局所的表面磁束密度（Bsurf）をモニタリングする。
• Bsurf(I)が非線形的から線形的へと急激に変化する電流を特定し、Ic_surfBを定義する。
• 感度の高い測定システムを用いて、非ゼロ電界の発生を同時に検出する。
• Ic_surfBを、従来のEc = 1 μV/cm閾値基準で定義されたIc_Eと比較する。
• ローレンツ深さを理論的根拠として用い、Bsurf遷移の根本的性質を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電界応答におけるどの物理的遷移が、電界閾値よりも根本的な臨界電流定義を示すか？
• RQ2 なぜ従来のIc_E基準（Ec = 1 μV/cm）は、超伝導体の根本的性質を表さないのか？
• RQ3 臨界電流において、表面磁束密度（Bsurf）の輸送電流依存性はどのように変化するか？
• RQ4 Bsurf(I)の遷移を、より信頼性があり物理的根拠を持つIc測定法として用いることができるか？
• RQ5 実際の2G高Tcテープにおいて、Bsurf線形性に基づくIc_surfBと、Ec = 1 μV/cmに基づくIc_Eとの間の定量的差異は何か？

主な発見

• 表面磁束密度（Bsurf）の輸送電流に対する非線形性から線形性への遷移は、Ic_surfBで発生し、これはEc = 1 μV/cm基準で定義されたIc_Eよりも10–15%低い。
• このBsurf遷移は、従来報告のなかった物理的現象であり、検出可能な電界の発生と一致しており、超伝導挙動における根本的変化を示している。
• Bsurf(I)線形性遷移は、任意のEc閾値よりも信頼性が高く、物理的根拠を持つIc定義の基準として識別される。
• 薄膜超伝導体における自己場臨界電流は、根本的にローレンツ深さにのみ依存しており、Bsurf遷移の物理的根拠を支持している。
• この方法により、マクロスケールで明確で測定可能な磁界応答の急激な変化を検出できるため、Icのより正確で一貫性のある決定が可能になる。
• 結果として、経験的Ic_E定義と理論的期待（Icが根本的性質であるべき）との長年の矛盾が解消された。