[論文レビュー] Thin Film Magnesium Boride Superconductor with Very High Critical Current Density and Enhanced Irreversibility Field

Chang‐Beom Eom, M.K. Lee+23 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2001

Superconductivity in MgB2 and Alloys参考文献 10被引用数 382

ひとこと要約

本研究では、薄膜状のマグネシウムジボライド（MgB₂）超伝導体が、4.2 Kで14 Tを超える顕著に高い不逆磁界を達成し、1 Tで1 MA/cm²を超える臨界電流密度を示すことが実証された。これは、バルク状MgB₂に比べて顕著に優れた性能であり、外延的薄膜における微細構造工学のおかげで、従来バルク材料の低H*(T)により制限されていた実用的高磁場超伝導応用が可能になったことを示している。

ABSTRACT

The discovery of superconductivity at 39 K in magnesium diboride offers the possibility of a new class of low-cost, high-performance superconducting materials for magnets and electronic applications. With twice the critical temperature of Nb_3Sn and four times that of Nb-Ti alloy, MgB_2 has the potential to reach much higher fields and current densities than either of these technological superconductors. A vital prerequisite, strongly linked current flow, has already been demonstrated even at this early stage. One possible drawback is the observation that the field at which superconductivity is destroyed is modest. Further, the field which limits the range of practical applications, the irreversibility field H*(T), is ~7 T at liquid helium temperature (4.2 K), significantly lower than ~10 T for Nb-Ti and ~20 T for Nb_3Sn. Here we show that MgB_2 thin films can exhibit a much steeper temperature dependence of H*(T) than is observed in bulk materials, yielding H*(4.2 K) above 14 T. In addition, very high critical current densities at 4.2 K, 1 MA/cm_2 at 1 T and 10_5 A/cm_2 at 10 T, are possible. These data demonstrate that MgB_2 has credible potential for high-field superconducting applications.

研究の動機と目的

• バルクMgB₂における限界的な不逆磁界（H*(T)）を克服し、高磁場応用を可能にする。
• 高磁場電磁石および電子デバイスにおける実用的利用を目的としたMgB₂の臨界電流密度（Jc）を向上させる。
• 薄膜構造がバルク多結晶MgB₂に比べ、H*(T)およびJcの温度依存性をどのように改善できるかを調査する。
• MgB₂薄膜が、Nb₃SnおよびNb-Tiの低コストで高性能な代替材料として超伝導応用に実現可能かどうかを評価する。

提案手法

• パルスレーザー蒸着（PLD）を用いて、単結晶基板上にエピタキシャルMgB₂薄膜を成長させた。
• 結晶粒界ピンナップを強化し欠陥を低減するため、薄膜の微細構造およびテクスチャーを最適化した。
• 輸送および磁化測定を用いて、不逆磁界（H*(T)）の温度および磁場依存性を測定した。
• 印加磁場下での抵抗転移測定から臨界電流密度（Jc）を抽出した。
• 磁化ループにおける抵抗性ヒステリシスの発生点から不逆磁界を特定した。
• 薄膜とバルク多結晶MgB₂の比較分析により、薄膜構造の影響を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MgB₂薄膜は、バルクMgB₂に比べて、不逆磁界H*(T)の温度依存性が急峻に現れるか？
• RQ2 高磁場下、4.2 KにおけるMgB₂薄膜で達成可能な臨界電流密度（Jc）はどの程度か？
• RQ3 エピタキシャル薄膜構造は、多結晶バルクMgB₂に比べて、不逆磁界をどの程度向上させるか？
• RQ4 MgB₂薄膜は高磁場下で実用的な電流密度を維持できるか。その結果、高磁場超伝導デバイスに実用可能となるか？

主な発見

• MgB₂薄膜の不逆磁界H*(4.2 K)は14 Tを超えており、バルクMgB₂で観察された約7 Tに比べ顕著に高い。
• 1 Tで4.2 Kにおける臨界電流密度は1 MA/cm²に達しており、高い電流容量を示している。
• 10 Tでも臨界電流密度は10⁵ A/cm²を維持しており、高磁場下でも強力なストリング・ピンナップ効果があることが示された。
• 薄膜におけるH*(T)の温度依存性はバルク材料に比べてはるかに急勾配であり、より効率的なストリング・ピンナップが実現している可能性を示している。
• 高いJcと向上したH*(T)の両方が確認されたことから、MgB₂薄膜が高磁場超伝導応用に適している可能性が裏付けられた。
• これらの結果は、MgB₂薄膜が、高磁場超伝導電磁石および電子システムにおいてNb₃SnおよびNb-Tiの信頼できる低コスト代替材料である可能性を示している。