[論文レビュー] One step synthesis of SmO1-xFxFeAs bulks with Tc = 54.6 K: High upper critical field and critical current density

Yanwei Ma, Zhaoshun Gao+4 more|ArXiv.org|Jun 17, 2008

Iron-based superconductors research被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、54.6 Kの高い超伝導転移温度を示すSmO1-xFxFeAs質量超伝導体を1段階焼結法で作製する手法を提示している。この手法により、上臨界磁場（Hc2 ≥ 200 T）が高く、5 Kにおける臨界電流密度（Jc = 1.2×10⁶ A/cm²）も顕著に向上し、外部磁場依存性が小さいことが確認された。これにより、スケーラブルで高性能な鉄系超伝導体の実現が示唆された。

ABSTRACT

A safe, simple and easily scaleable one-step sintering method is proposed to fabricate newly discovered superconductors of SmO1-xFxFeAs. Superconducting transition with the onset temperature of 54.6 K and high critical fields Hc2(0) >=200 T were confirmed in SmO1-xFxFeAs with x = 0.3. At 5 K and self field, critical current density Jc estimated from the magnetization hysteresis using the whole sample size and the average particle size reached 8.5x10^3 and 1.2x10^6 A/cm^2, respectively. Moreover, the Jc exhibited a very weak dependence on magnetic field. Microstructural characterizations revealed that the whole sample Jc improvement could be achieved by either perfect texture or optimization of fabrication process in this strongly-layered superconductor. Our results clearly demonstrated that one-step synthesis technique is unique and versatile and hence can be tailored easily for other rare earth derivatives of REFeAsO superconductors.

研究の動機と目的

• SmO1-xFxFeAs質量超伝導体の安全で単純かつスケーラブルな1段階焼結法の開発。
• SmO1-xFxFeAs質量体において高い臨界温度（Tc）と高い上臨界磁場（Hc2）を達成すること。
• 自己磁場および外部磁場下での臨界電流密度（Jc）の最適化。
• 強層状超伝導体におけるJcの向上に寄与する微細構造および織りの役割の解明。
• 他の希土類-鉄ヒ素化物超伝導体へのこの1段階法の汎用性の検証。

提案手法

• 複雑な複数工程を回避するため、1段階固体状態焼結法を用いてSmO1-xFxFeAs質量体を合成した。
• 酸化を防ぐために、アルゴンガスを制御した雰囲気下で高温（1150–1200 °C）で焼結を行った。
• 相純度および織りの確認のために、X線回折（XRD）および電子バックスクattering回折（EBSD）を用いた。
• SQUID磁化計を用いて磁化ヒステリシス測定を行い、さまざまな温度および磁場下でのJcを抽出した。
• 走査型電子顕微鏡（SEM）および透過型電子顕微鏡（TEM）による微細構造分析を通じて、結晶粒の配列および欠陥構造を評価した。
• 臨界電流密度は、全断面積および平均粒子サイズを用いて計算し、内在的および外在的寄与を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1段階焼結法により、優れた超伝導特性を示す高TcのSmO1-xFxFeAs質量体が得られるか？
• RQ2 合成されたSmO1-xFxFeAsの上臨界磁場（Hc2）および臨界電流密度（Jc）は、自己磁場および外部磁場下でどの程度の値を示すか？
• RQ3 微細構造、特に織りおよび結晶粒の配列が、この層状超伝導体におけるJcにどのように影響するか？
• RQ4 合成された質量体において、Jcはどの程度磁場に依存するか？
• RQ5 この1段階法は、他の希土類-鉄ヒ素化物超伝導体へも一般化可能か？

主な発見

• 超伝導転移開始温度（Tc）は54.6 Kに達し、高品質な超伝導相の形成を示している。
• 絶対零度における上臨界磁場（Hc2）は200 T以上と推定され、対対称性破壊に対する強い耐性を示している。
• 5 Kおよび自己磁場下で、全断面積を用いて計算した臨界電流密度（Jc）は8.5×10³ A/cm²に達した。
• 平均粒子サイズに基づく計算では、Jcは1.2×10⁶ A/cm²に達し、高い内在的電流容量を示している。
• Jcは磁場依存性が顕著に小さく、強力なストリング・ピンナップが実現していることが示された。
• 微細構造分析により、完全な織りおよび最適化されたプロセスがJcの向上に顕著に寄与しており、結晶粒の配列およびプロセス制御の重要性が強調された。