[論文レビュー] Size effects on the quenching to the normal state in YBa2Cu3O7-delta thin film superconductors

M Ruibal, Gonzalo Ferro+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2006

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 44

ひとこと要約

本研究では、1ミリ秒の電流ラムプ下で、YBa₂Cu₃O₇₋δ薄膜マイクロブリッジにおいて、特異的でないフラックスフローからの自己加熱が支配的なクエンチメカニズムであることを示している。微小ブリッジ幅を熱拡散長未満で変化させることで、クエンチ電流密度 $J^*$ に顕著な幅依存性が存在することを示し、自由パラメータのない2次元自己加熱モデルによって良好に説明され、熱的ランアウェイが正規状態への遷移を引き起こしていることを証明した。

ABSTRACT

To probe the quenching mechanisms under high current densities, current-voltage curves have been measured in YBa2Cu3O7-delta thin film microbridges with widths lower than the thermal diffusion length. This condition was obtained by using microbridge widths under 100 micrometers and stepped ramps of one millisecond step duration. Whereas the flux-flow resistivity is found to be microbridge-width independent, strong width dependence of the quenching current density is observed. These results provide a direct experimental demonstration that for high current densities varying in the millisecond range the transition to a highly dissipative state is due to self heating driven by "conventional" (non-singular) flux flow effects.

研究の動機と目的

• 高電流密度YBCO薄膜における支配的クエンチメカニズムを分離・同定すること。
• 通常のフラックスフローからの自己加熱が、正規状態への急激な遷移を引き起こすかどうかを特定すること。
• 制御された熱的および電流的条件下で、マイクロブリッジ幅のクエンチダイナミクスにおける役割を実験的に調査すること。
• 幅が異なる範囲で実験的 $J^*$ データと2次元自己加熱モデルを照合し、自由パラメータなしで妥当性を検証すること。

提案手法

• c軸配向の高品質YBCO薄膜マイクロブリッジを、幅5 μmから100 μm、幅/長さ比1:10、厚さ120 nmで作製した。
• 臨界温度 $T_c$ より約20 K低い温度で、1 msの電流ステップラムプを用いて、ゼロおよび1 Tの磁場下で電流-電圧（C-V）測定を実施した。
• すべてのマイクロブリッジが熱拡散長 ($\lambda_{th} \approx 150-250 \, \mu\text{m}$) 未満に保たれ、他のメカニズムからの影響を分離した。
• 反復フィードバックを用いた2次元自己加熱モデルを用いた：低電流C-V曲線から熱発生を推定し、$\Delta T_f = \alpha \Delta T_s$ を介して熱的フィードバックを適用し、各ステップでパワーを更新した。
• 温度依存性 $E(J)$ 関係を反復的に用いて $J^*$ を計算した：ゼロ磁場では $E = E_0(J/J_c - 1)^n$、磁場ありでは $E = E_c(J/J_c)^s$ とし、低電流データから固定されたパラメータを用いた。
• 全幅範囲で実験的 $J^*(w)$ をモデル予測と照合し、自由パラメータを一切使用せずに比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クエンチ電流密度 $J^*$ の幅依存性が、自己加熱が支配的クエンチメカニズムである証拠を示しているか？
• RQ2 自由パラメータなしで、2次元自己加熱モデルが観測された $J^*(w)$ 行動を定量的に再現できるか？
• RQ3 観察されたクエンチは、通常のフラックスフローからの熱的フィードバックによって駆動されているのか、それとも他のメカニズム（例：バキュールアバランチやコープアー対の破壊）によるものか？
• RQ4 熱拡散長と電流ラムプ時間の組み合わせによって、他のクエンチメカニズムが幅依存性からどれほど分離できるか？

主な発見

• クエンチ電流密度 $J^*$ に顕著な幅依存性が観測され、微小ブリッジ幅が小さくなるほど $J^*$ が減少した。これは、より幅の小さいブリッジが熱的安定性に優れていることを示している。
• 測定された $J^*$ 値は、自由パラメータなしの2次元自己加熱モデルの予測と良好に一致し、モデルの予測能力を裏付けた。
• 薄膜内の温度上昇はわずか（ゼロ磁場で約2 K、1 T磁場で約4 K）であったが、それでも熱的アバランチを誘発するに十分であった。これは、わずかな自己加熱でもクエンチを引き起こしうることを示している。
• フラックスフロー抵抗率は幅に依存しなかったため、観察された $J^*$ の依存性が内部抵抗率の変化によるものではないことを確認した。
• 1ミリ秒の電流ラムプ下で、通常（特異的でない）フラックスフローからの自己加熱が、YBCO薄膜における主なクエンチメカニズムであることが示された。
• 本研究は、任意の材料において熱的アバランチが直接的に実験的に証明された少数の事例の一つであり、高電流超伝導体応用分野に重要な示唆をもたらす。