[論文レビュー] Superconductor strip with transport current: Magneto-optical study of current distribution and its relaxation

A. V. Bobyl, D. V. Shantsev+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2001

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 36

ひとこと要約

本研究では、臨界電流（5.5 A）に近いパルス状輸送電流下におけるYBa₂Cu₃O₇₋δ超伝導ストリップの電流分布およびフラックス緩和ダイナミクスを磁気光学イメージングを用いて調査した。フラックスの浸透と非定常的挙動が見られたにもかかわらず、電流密度は均一性に向かって再分配され、40–5000 msのパルス期間中、観測されたすべてのフラックスおよび電流プロファイルは、ベーン臨界状態モデルの予測と定性的に一貫していた。

ABSTRACT

The dynamics of magnetic flux distributions across a YBaCuO strip carrying transport current is measured using magneto-optical imaging at 20 K. The current is applied in pulses of 40-5000 ms duration and magnitude close to the critical one, 5.5 A. During the pulse some extra flux usually penetrates the strip, so the local field increases in magnitude. When the strip is initially penetrated by flux, the local field either increases or decreases depending both on the spatial coordinate and the current magnitude. Meanwhile, the current density always tends to redistribute more uniformly. Despite the relaxation, all distributions remain qualitatively similar to the Bean model predictions.

研究の動機と目的

• 臨界電流に近いパルス状輸送電流下における超伝導ストリップ内の磁気フラックスおよび電流密度分布の動的変化を調査すること。
• 40–5000 msの異なる持続時間の電流パルスにおいて、フラックス緩和が電流分布および局所的磁場に与える影響を検討すること。
• 非定常状態における、実験的フラックスおよび電流プロファイルを臨界状態モデル（ベーンモデル）の予測と比較すること。
• 測定された磁場分布から電流密度プロファイルを再構成するための反復的インバージョン手法の開発および検証すること。
• 初期磁気歴史（フラックスフリー状態対残留磁化状態）が電流およびフラックスダイナミクスに与える影響を分析すること。

提案手法

• 20 Kで磁気光学（MO）イメージングを用い、YBCOストリップ上を垂直に貫く磁場分布を直接可視化および定量した。
• 面内磁化を持つビスマスドープフェリトールガーネット膜をFaraday効果活性インジケータとして用い、偏光光の二重回転を実現し、高コントラストな磁場イメージングを可能にした。
• 臨界電流（5.5 A）に近い電流パルス（40–5000 ms）を印加し、MOイメージ取得のための33 ms露光時間と同期した。
• 測定された磁場データから電流密度プロファイルを再構成するための新しい反復的手順を用いた磁場→電流インバージョンを実施し、標準的手法に比べて精度を向上させた。
• 文献[21, 24]に従い、薄いストリップの理論モデルを用いて、異なる初期条件（フラックスフリー、残留磁化状態）における予想されるベーンモデルの電流およびフラックス分布を計算した。
• 実験データと理論的予測を比較し、臨界状態モデルからの逸脱を評価するとともに、緩和ダイナミクスを定量した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 臨界電流に近いYBCOストリップにパルス状輸送電流を印加した際、電流密度はどのように再分配されるか？
• RQ2 40–5000 msの電流パルス中、磁気フラックスの浸透および緩和の時間的変化はどのように進行するか？
• RQ3 初期磁気状態（磁場パルス後のフラックスフリー対残留磁化状態）がフラックスおよび電流分布のダイナミクスに与える影響は何か？
• RQ4 実験的フラックスおよび電流プロファイルは、ベーン臨界状態モデルの予測からどの程度逸脱しているか？
• RQ5 反復的インバージョン手法は、測定された磁場データから正確な電流密度プロファイルを再構成するためにどの程度有効か？

主な発見

• 電流パルス中、追加のフラックスがストリップに浸透することが多く、位置および電流の大きさに応じて局所的磁場が増加または減少する。
• フラックスの浸透および緩和が生じても、電流密度プロファイルは一貫して均一な分布に向かって進化し、動的電流共有が示された。
• 観測されたすべてのフラックスおよび電流分布は、非定常状態であっても、ベーン臨界状態モデルの予測と定性的に一貫していた。
• 反復的インバージョン手法は、標準的手法に比べて電流密度プロファイルの再構成精度を顕著に向上させ、端縁部の歪みを低減し、全体的な電流密度の正確さを向上させた。
• フラックスおよび電流分布の緩和は、パルス全体（最大5000 ms）にわたり発生しており、臨界電流に近い状態でも緩慢なダイナミクスが示された。
• 本研究では、凍結フラックスから移動フラックスへの遷移が段階的であることを確認した。特に、$j_c$に近い電流を運ぶ領域が反応を支配しており、$I \lesssim I_c$の領域で顕著であった。