[論文レビュー] Transition from Type-I to Type-II Superconducting Behaviour with Temperature observed by $μ$SR and SANS

Christof M. Aegerter, H. Keller+11 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2003

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ビスマスドープ Pb において、ギンツブルグ＝ランダウパラメータ κ が臨界値 1/√2 を通過する温度駆動型の I 型から II 型超伝導挙動への遷移を示している。μSR および SANS を用いて、遷移温度 T^{I-II} の近くで中間状態と混合状態の共存を観測し、最大のドメイン界面面積に起因して T^{I-II} で散乱強度がピークに達することを確認した。Landau理論の予測は、ξ よりもはるかに小さい 10 nm の表面エネルギー長 δ によって裏付けられている。

ABSTRACT

We investigate the superconducting behaviour of Bi doped Pb. Pure lead shows type-I behaviour entering an intermediate state in a magnetic field. High dopings of Bi ($>$3%) lead to type-II behaviour showing a mixed state, where the magnetic field penetrates the superconductor in the form of a flux lattice. At intermediate doping, the sample shows both type-I and type-II behaviour depending on the temperature. This arises because the Ginzburg-Landau parameter $κ$ passes through its critical value of $1/\sqrt{2}$ with temperature.

研究の動機と目的

• 温度関数としてのビスマスドープ Pb における I 型と II 型超伝導挙動の遷移を調査すること。
• ギンツブルグ＝ランダウパラメータ κ が 1/√2 を通過する条件を特定し、超伝導相挙動の変化を引き起こす要因を特定すること。
• 補完的技術を用いて、マルチクリティカル点 T^{I-II} の近くで中間状態と混合状態の共存を観測・特徴づけること。
• SANS 測定によるドメインサイズおよび界面面積の測定を通じて、Landau理論による中間状態のドメイン構造予測を検証すること。

提案手法

• μSR を用いて局所磁場をマッピングし、臨界場 Bc および Bc2 の温度依存性を測定することで、磁場応答の温度依存を評価する。
• 小角中性子散乱（SANS）を用いて中間状態におけるドメイン構造をプローブし、散乱強度および回転半径を分析する。
• 2相モデルを適用し、λ(T) および ξ(T) から Bc(T) および Bc2(T) を計算する。ここで λ⁻²(T) = λ⁻²(0)(1 - (T/Tc)⁴) および Bc(T) = Bc(0)(1 - (T/Tc)²) と仮定する。
• ギンツブルグ＝ランダウパラメータ比 Bc/Bc2(T) = 1/(√2κ₀)(1 + (T/Tc)²) を用いて、Bc = Bc2 を満たす T^{I-II} を計算する。
• SANS データにフィットさせ、回転半径を抽出し、Landau の式を用いてドメイン間隔と関連付ける。
• 表面エネルギー長 δ および Kuhn ストレッチ長（λ にほぼ等しい）を調整することで、観測されたドメインサイズと Landau 理論の予測との一致を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Bi-doped Pb における超伝導挙動が I 型から II 型へ遷移する温度は何か？ その遷移の決定要因は何か？
• RQ2 中間状態と混合状態の共存が、SANS における散乱強度および μSR における局所磁場分布にどのように影響を与えるか？
• RQ3 表面エネルギー長 δ が中間状態におけるドメインサイズを決定する役割を果たすが、それは coherence 長 ξ と比較してどうなるか？
• RQ4 SANS 測定によるドメイン界面面積および回転半径は、中間状態における Landau 理論の予測とどの程度一致するか？
• RQ5 なぜこの系では表面エネルギー長 δ が coherence 長 ξ よりもはるかに小さい値であると特定されたのか？

主な発見

• 遷移温度 T^{I-II} は、超伝導遷移が一次から二次に変化するマルチクリティカル点として特定され、Bc(T) = Bc2(T) を満たす。
• SANS では、T^{I-II} で散乱強度が急激にピークに達しており、これは、正常状態と超伝導状態のドメイン間の界面面積が最大に達していること、ならびに中間状態と混合状態が共存していることによる。
• 回転半径が Landau 理論と一致するのは、表面エネルギー長 δ = 10 nm を仮定した場合に限る。これは、coherence 長よりもはるかに小さい値である。
• μSR 測定により、臨界場 Bc(T) が確認され、T^{I-II} で明確な遷移が観測された。これは 2相モデルおよび SANS の結果と整合的である。
• 共存領域は狭く、高磁場領域ではドメイン構造が減少するため、散乱強度が低下している。これは、系が混合状態を好む傾向にあることによる。
• SANS データと Landau 理論の一致は、δ = 10 nm のみで達成される。これは、κ が 1/√2 に非常に近いことから、物理的に妥当な値である。