[論文レビュー] Origin of the high DC transport critical current density for the MgB2 superconductor

K H P Kim, W. N. Kang+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2001

Superconductivity in MgB2 and Alloys参考文献 7被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、高磁場下での輸送測定を通じて、MgB2超伝導体における非常に高いDC輸送臨界電流密度（Jc）の起源を特定した。高いJcは、強固な粒内結合とボルテックスガラス相による強力なボルテックスピンナの結果であり、他の高Tc超伝導体とは異なり、輸送測定と磁気測定からのJc値が一致する理由を説明している。

ABSTRACT

If the critical current density Jc is very high for a superconductor, then estimating its value from transport measurements is not very easy. In such cases, the value of Jc, called Jcm for magnetic Jc, is usually obtained from the measured magnetic hysteresis loop measurements by using a proper critical state model such as Bean's model (ref. 1). However, for bulk polycrystalline high temperature superconductors, the values of Jcm are much higher than the values, Jct, obtained from the transport measurements. This is due to the fact that the Jct is interrupted by weakly linked grain boundaries. However, for the recently discovered superconductor MgB2 (ref. 2), the grain boundary effect is negligible and these two values seem to coincide. Moreover, Jc increases drastically with decreasing the temperature. Consequently, the critical current densities for bulk wires can be very high, suggesting that numerous applications for the power transport. In this letter, we report the origin of the large current carrying capability of MgB2 based on direct measurements of the current-voltage relation in high magnetic fields. A strong coupling between the grains may be one reason for the absence of the weak link effect. Another reason may be the fact that, instead of a weak pinning mechanism such as thermally activated flux hopping, strong pinning due to a vortex glass phase is found in this material. The vortex phase diagram obtained from transport measurements shows that, in H-T space, a wide region below the Hc2 line is covered by a vortex glass phase.

研究の動機と目的

• MgB2が輸送測定において非常に高い臨界電流密度（Jc）を示す理由を理解すること。
• 高Tc超伝導体において一般的に観察される、輸送測定によるJc（Jct）と磁気測定によるJc（Jcm）の乖離を解消すること。
• 塊体多結晶MgB2における結晶粒界とボルテックスピンナメカニズムのJcへの寄与を調査すること。
• MgB2における高いJcの原因として、強固な粒間結合か、強力なボルテックスピンナかを特定すること。

提案手法

• 高磁場下で塊体多結晶MgB2試料に対して直接電流-電圧（I-V）測定を実施した。
• I-V特性を解析し、輸送データからJc値を抽出し、磁気ヒステリシスループ測定と比較した。
• 臨界状態モデル（特にビーンのモデル）を用いて、磁気ヒステリシスループからJcmを抽出した。
• H-T空間におけるボルテックス相図をマッピングし、ボルテックスガラス相の存在を特定した。
• 異なる温度および磁場条件下でのJctとJcmの比較を通じて、結晶粒界効果の影響を評価した。
• 粒間結合の強さが弱いリンク行動を抑制する役割を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜMgB2では輸送測定と磁気測定でほぼ同一のJc値が得られるのか、他の高Tc超伝導体とは異なるのか？
• RQ2 MgB2における高いJcをもたらす主なボルテックスピンナメカニズムは何か？
• RQ3 他の超伝導体と比較して、MgB2における結晶粒界効果がJcをどれほど制限しているのか？
• RQ4 MgB2にボルテックスガラス相が存在することは、高いJcとその温度依存性を説明できるか？
• RQ5 強固な粒間結合が、MgB2における弱いリンク行動の不在にどのように寄与しているのか？

主な発見

• 輸送測定による臨界電流密度（Jct）と磁気測定によるJc（Jcm）は、MgB2においてほぼ同一である。これは、結晶粒界抵抗が無視できるほど小さいことを示している。
• 弱いリンク行動の不在は、結晶粒界間の強固な結合によるものであり、結晶粒界における抵抗損失を最小限に抑える。
• Hc2線以下のH-T相図の広い領域がボルテックスガラス相で占められており、強力なボルテックスピンナが存在することを示している。
• ボルテックスガラス相は強力なピンナを提供し、フラックス流れを抑制して、特に低温域でJcを向上させる。
• MgB2における高いJcは、主にボルテックスガラス相による強力なボルテックスピンナに起因しており、熱的活性化フラックスホッピングとは異なる。
• 強固な結合と強力なボルテックスピンナの併存が、塊体MgB2線材で観察される極めて高いJc値を説明している。