[論文レビュー] Significant enhancement of the upper critical field in the two-gap superconductor MgB2 by selective tuning of impurity scattering

A. Gurevich, S. Patnaik+17 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2003

Superconductivity in MgB2 and Alloys参考文献 18被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、非磁性不純物ドーピングを用いた選択的処理により、MgB2における上臨界磁場 $H_{c2}$ が顕著に向上することを示した。高抵抗率薄膜において、絶対零度で垂直方向に34 T、平行方向に49 Tという記録的値に達した。この向上は、汚れ限界における二重ギャップ超伝導性に起因し、Nb3Sn や Nb-Ti といった従来の酸化物非カプリエート超伝導体を凌駕する、前例のない $H_{c2}$ 性能を実現している。

ABSTRACT

We report a significant enhancement of the upper critical field $H_{c2}$ of different $MgB_2$ samples alloyed with nonmagnetic impurities. By studying films and bulk polycrystals with different resistivities $ ho$, we show a clear trend of $H_{c2}$ increase as $ ho$ increases. One particular high resistivity film had zero-temperature $H_{c2}(0)$ well above the $H_{c2}$ values of competing non-cuprate superconductors such as $Nb_3Sn$ and Nb-Ti. Our high-field transport measurements give record values $H_{c2}^\perp (0) \approx 34T$ and $H_{c2}\|(0) \approx 49 T$ for high resistivity films and $H_{c2}(0)\approx 29 T$ for untextured bulk polycrystals. The highest $H_{c2}$ film also exhibits a significant upward curvature of $H_{c2}(T)$, and temperature dependence of the anisotropy parameter $\gamma(T) = H_{c2}\|/ H_{c2}^\perp$ opposite to that of single crystals: $\gamma(T)$ decreases as the temperature decreases, from $\gamma(T_c) \approx 2$ to $\gamma(0) \approx 1.5$. This remarkable $H_{c2}$ enhancement and its anomalous temperature dependence are a consequence of the two-gap superconductivity in $MgB_2$, which offers special opportunities for further $H_{c2}$ increase by tuning of the impurity scattering by selective alloying on Mg and B sites. Our experimental results can be explained by a theory of two-gap superconductivity in the dirty limit. The very high values of $H_{c2}(T)$ observed suggest that $MgB_2$ can be made into a versatile, competitive high-field superconductor.

研究の動機と目的

• 非磁性不純物散乱がMgB2における上臨界磁場 $H_{c2}$ に与える影響を調査すること。
• MgおよびBサイトにおける選択的合金化が、従来の限界を超えて $H_{c2}$ を向上させられるかどうかを特定すること。
• 汚れ限界における二重ギャップ超伝導性が、どのように $H_{c2}$ の向上を可能にするかを解明すること。
• 高抵抗率MgB2薄膜および多結晶系における $H_{c2}$ と異方性の異常な温度依存性を測定し、その理由を解明すること。

提案手法

• 異なる抵抗率 $\rho$ を有するMgB2薄膜およびバルク多結晶に高磁場電気的測定を実施し、$H_{c2}$ と不純物散乱の相関を調査した。
• MgおよびBサイトにおける選択的合金化を用いて、不純物散乱率を調整し、汚れ限界領域を制御した。
• 温度依存性 $H_{c2}(T)$ および異方性 $\gamma(T) = H_{c2}\| / H_{c2}^\perp$ を測定し、二重ギャップメカニズムの解明を図った。
• 汚れ限界における二重ギャップ超伝導性に基づく理論的モデルを適用し、観測された $H_{c2}$ の向上および異常な $\gamma(T)$ 行動を説明した。
• 抵抗率 $\rho$ を系統的に変化させ、不純物濃度と $H_{c2}$ の増加との明確な傾向を確立した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非磁性不純物散乱は、MgB2における上臨界磁場 $H_{c2}$ にどのように影響を与えるか？
• RQ2 MgおよびBサイトにおける選択的合金化が、MgB2の $H_{c2}$ に測定可能な向上をもたらせるか？
• RQ3 高抵抗率薄膜では、単結晶とは逆に温度が低下するにつれて異方性パラメータ $\gamma(T)$ が減少するのはなぜか？
• RQ4 最適な不純物散乱条件下で、MgB2における $H_{c2}$ の最大値はどの程度達成可能か？
• RQ5 汚れ限界における二重ギャップ超伝導性は、観測された $H_{c2}$ の向上をどの程度まで説明できるか？

主な発見

• 最高性能の薄膜では、$H_{c2}^\perp(0) \approx 34\,\text{T}$ および $H_{c2}\|(0) \approx 49\,\text{T}$ を達成し、MgB2において新たな記録を樹立。これはNb3Sn や Nb-Ti の $H_{c2}$ 値を上回っている。
• 抵抗率 $\rho$ の増加に伴い $H_{c2}$ が増加する明確な傾向が観測され、不純物散乱がMgB2における $H_{c2}$ の向上に寄与することが示された。
• 高抵抗率薄膜では、$H_{c2}(T)$ に上向きの曲がりが観察され、汚れ限界における強い二重ギャップ効果の特徴であることが判明した。
• 異方性パラメータ $\gamma(T)$ は、温度が低下するにつれて $\gamma(T_c) \approx 2$ から $\gamma(0) \approx 1.5$ へ減少し、単結晶とは逆の挙動を示した。
• 無指向性バルク多結晶では、$H_{c2}(0) \approx 29\,\text{T}$ を達成し、多結晶形態においてもこの向上効果が強く保たれていることが確認された。
• 実験結果は、汚れ限界における二重ギャップ超伝導性の理論により定量的に説明可能であり、選択的不純物チューニングの役割が裏付けられた。