[論文レビュー] Trapped magnetic flux in hydrogen-rich high-temperature superconductors

V. S. Minkov, Ksenofontov, V.+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2022

High-pressure geophysics and materials被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、高圧下における水素豊富な水素化物における超伝導の検出を目的として、従来の電気的輸送および磁化率測定法に課題がある中、新規の閉じ込められたフラックス磁気測定技術を導入した。この手法により、Tc ~195 K、臨界磁場、Londonの浸透深度（~37 nm）、H3Sにおける~155 GPaでの臨界電流密度を高精度に決定可能であり、標準的手法と比較して感度が向上し、バックグラウンドノイズが低減されている。

ABSTRACT

Recent discoveries of superconductivity in hydrogen-rich compounds stabilized by high pressures have shown that a critical temperature of superconductivity Tc can reach near room temperature values. The current studies focus on the search for new superconductors with higher Tcs to understand the ultimate limit of conventional superconductivity, and high-Tc superconductors at lower pressures. However, high pressure conditions put serious limitations on experimental studies. Electrical transport measurements have long been the primary experimental technique for reliable detection of superconductivity at high pressures, whereas magnetic susceptibility measurements continue to be a challenge. Here, we dramatically changed the protocol of magnetic measurements to probe the trapped magnetic flux. We tested this technique on samples of H3S and LaH10 and propose it for a routine examination of superconductivity at high pressures. Using the temperature- and magnetic field dependences of the trapped flux we estimated Tc ~195 K, a lower critical field ~0.36 T, an irreversibility field ~1.7 T, a full penetration field ~8.8 T, the London penetration depth ~37 nm, and critical current densities jc(T) in H3S at ~155 GPa in a wide temperature range. The trapped flux method is found to be sensitive to a particular phase in a mixture of superconducting phases: concomitant phases of sulfur and hydrogen-depleted LaHx were detected. In contrast to the Meissner state occurring at low external magnetic fields, a magnetic response from the trapped flux at zero applied magnetic field is in tens times stronger and is not contaminated by the magnetic background of a bulky diamond anvil cell. This technique can be a powerful tool for the screening of new superconducting materials, the study of multiphase, contaminated samples, or samples with a low superconducting fraction at ambient pressure too.

研究の動機と目的

• 従来の磁化率測定法が実験的複雑性とバックグラウンド干渉の制限を受ける中、高圧下の水素豊富な水素化物における超伝導の検出の課題に対処すること。
• 高圧下における複雑な多相系または低分率の試料においても、超伝導相を特定するための堅牢で日常的な手法の開発。
• 水素豊富な超伝導体におけるTc、臨界磁場、浸透深度、臨界電流密度といった重要な超伝導パラメータの正確な決定を可能にすること。
• H3Sや水素欠損のLaHxを含む混合系においても、個々の超伝導相に特有の感度を示す手法の有効性を実証すること。

提案手法

• この手法は、超伝導体に磁場を印けてフラックス線を整列させた後、磁場を除去して磁束を閉じ込めるもので、外部磁場をゼロにした状態でその磁束をプローブする。
• 閉じ込められた磁束からの磁気応答はSQUIDベースの磁気計測器を用いて測定され、低磁場領域ではMeissner効果に比べて数十倍も強い信号が得られる。
• 立方体アンビルプレスとダイヤモンドアンビルセルを用いた高圧試料（H3SおよびLaH10）に対してこの手法を適用し、高圧下でのイン・スイート測定を可能にした。
• 温度および磁場依存の閉じ込められたフラックス測定をGinzburg-Landau理論およびLondon理論にフィッティングすることで、超伝導パラメータを抽出した。
• H3SおよびLaHxのような多相系試料において、異なる超伝導相からの明確な磁気応答を検出することで、手法の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 閉じ込められた磁束測定法は、従来の磁化率測定法に代わるより感受性が高く、バックグラウンドのない代替手段として、高圧下の水素化物における超伝導の検出に有効であるか？
• RQ2 H3Sのような水素欠損のLaHxを含む混合相において、閉じ込められたフラックス法が個々の超伝導相をどの程度解像できるか？
• RQ3 高圧下のH3Sにおける主要な超伝導パラメータ（Tc、下臨界磁場、不逆転磁場、浸透深度、臨界電流密度）の定量的数値は何か？
• RQ4 標準的な磁気測定におけるMeissner効果と比較して、閉じ込められたフラックス信号の大きさと信頼性はどの程度か？

主な発見

• H3Sの臨界温度Tcは、約155 GPaの圧力下で約195 Kと決定され、高温超伝導と整合的である。
• 下臨界磁場Hc1は約0.36 Tと推定され、不逆転磁場Hinvarは約1.7 Tと測定され、強いボルテックスピン留めを示している。
• 完全浸透磁場Hc2は約8.8 Tで測定され、タイプII超伝導体としての性質と整合的であり、Londonの浸透深度は約37 nmであった。
• 10 KにおけるH3Sの臨界電流密度jc(T)は約10^6 A/cm²のオーダーと推定され、高い電流容量を示している。
• 閉じ込められたフラックス法は、硫黄や水素欠損のLaHxといった共存する超伝導相を検出でき、多相系試料における相特異的感度を実証した。
• 閉じ込められたフラックス信号はMeissner効果に比べて数十倍強く、ダイヤモンドアンビルセル由来のバックグラウンドが最小限に抑えられ、測定感度が向上した。