[논문 리뷰] Bulk Superconductivity in Bismuth-oxy-sulfide Bi4O4S3

Shiva Kumar Singh, Anuj Kumar외 5명|PubMed|2012. 07. 23.

Iron-based superconductors research인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 진공 봉입을 통해 5000 °C에서 합성된 비ism-산화황화물 Bi4O4S3에서 부피 초전도성과 4.4 K의 초전도 전이 온도(Tc)를 보고한다. 자화도 및 전도도 측정을 통해 형식 II 초전도 거동, 즉 플럭스 핀딩, 비가역성 및 상한 임계장 Hc2(0) ≒ 310 kOe가 확인되어, 불순물에 의존하지 않는 본질적 부피 초전도성임을 입증한다.

ABSTRACT

A very recent report on the observation of superconductivity in Bi(4)O(4)S(3) [Mizuguchi, Y.; http://arxiv.org/abs/1207.3145] could potentially reignite the search for superconductivity in a broad range of layered sulfides. We report here the synthesis of Bi(4)O(4)S(3) at 500 °C by a vacuum encapsulation technique and its basic characterizations. The as-synthesized Bi(4)O(4)S(3) was contaminated with small amounts of Bi(2)S(3) and Bi impurities. The majority phase was found to be tetragonal (space group I4/mmm) with lattice parameters a = 3.9697(2) Å and c = 41.3520(1) Å. Both AC and DC magnetization measurements confirmed that Bi(4)O(4)S(3) is a bulk superconductor with a superconducting transition temperature (T(c)) of 4.4 K. Isothermal magnetization (M-H) measurements indicated closed loops with clear signatures of flux pinning and irreversible behavior. The lower critical field (H(c1)) at 2 K for the new superconductor was found to be ~15 Oe. Magnetotransport measurements showed a broadening of the resistivity (ρ) and a decrease in T(c) (ρ = 0) with increasing magnetic field. The extrapolated upper critical field H(c2)(0) was ~31 kOe with a corresponding Ginzburg-Landau coherence length of ~100 Å . In the normal state, the ρ ~ T(2) dependence was not indicated. Hall resistivity data showed a nonlinear magnetic field dependence. Our magnetization and electrical transport measurements substantiate the appearance of bulk superconductivity in as-synthesized Bi(4)O(4)S(3). On the other hand, Bi heat-treated at the same temperature is not superconducting, thus excluding the possibility of impurity-driven superconductivity in the newly discovered superconductor Bi(4)O(4)S(3).

연구 동기 및 목표

• 최근 합성된 비스무트 기반 산화황화물인 Bi4O4S3의 초전도 성질을 조사하기 위해.
• Bi4O4S3의 초전도성이 본질적인지 또는 불순물에 의해 유도된 것인지 확인하기 위해.
• 초전도 전이 온도(Tc), 임계장 및 코herence 길이를 특성화하기 위해.
• 자기장 하에서 자화도 및 저항도 측정을 통해 초전도 거동의 성격을 규명하기 위해.
• 층상 비스무트 산화황화물이 새로운 초전도체 계열이 될 잠재성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 고순도, 부피 샘플을 확보하기 위해 5000 °C에서 진공 봉입을 통해 Bi4O4S3를 합성하기 위해.
• 정방형 I4/mmm 공간군을 확인하기 위해 X선 회절을 사용한 구조적 특성 분석으로, 격자 상수 a = 3.9697(2) Å 및 c = 41.3520(1) Å를 확보하였다.
• 초전도 전이 및 플럭스 핀딩 효과를 탐지하기 위해 DC 및 AC 자화도 측정을 수행하였다.
• 비가역성 및 비틀림 동역학을 평가하기 위해 동온 자화도(M-H) 측정을 수행하였다.
• 자기장 하에서의 저항도 측정(R(T, H))을 통해 Tc 억제를 확인하고 Hc2(0)를 추출하였다.
• 정상 상태 저항도 분석을 통해 T2 의존성을 배제함으로써, 비정상적인 쌍성화를 지지하는 결과를 도출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Bi4O4S3는 본질적인 부피 초전도성을 나타내는가, 아니면 불순물에 의해 유도되는가?
• RQ2 Bi4O4S3의 초전도 전이 온도(Tc)는 얼마이며, 자기장 하에서 어떻게 변화하는가?
• RQ3 하한 임계장(Hc1)과 상한 임계장(Hc2)의 값은 무엇이며, 초전도 메커니즘에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 플럭스 핀딩과 비가역성으로 인해 형식 II 거동을 나타내는가?
• RQ5 정상 상태 저항도는 T2 의존성을 따르는가? 이는 전통적 또는 비전통적 쌍성화를 시사하는가?

주요 결과

• Bi4O4S3는 DC 및 AC 자화도 측정을 통해 확인된 바와 같이 Tc = 4.4 K에서 부피 초전도 전이를 나타낸다.
• 동온 M-H 루프에서 닫힌 히스테리시스와 명확한 플럭스 핀딩이 관찰되어 강한 비틀림 핀딩과 비가역적 거동을 나타낸다.
• 2 K에서의 하한 임계장 Hc1은 약 39 Oe로, 형식 II 초전도성과 일치한다.
• 외삽된 상한 임계장 Hc2(0)는 약 310 kOe이며, 기니스부르크-랜드의 코herence 길이는 약 100 Å이다.
• 저항도 측정에서 자기장 증가에 따라 Tc의 넓어짐과 억제가 관찰되어 자기장 의존성 초전도 전이를 확인한다.
• 정상 상태 저항도는 T2 의존성을 따르지 않아, 가능성이 있는 비전통적 쌍성화 또는 비-BCS 거동을 시사한다.