[논문 리뷰] Designing high-performance superconductors with nanoparticle inclusions: comparisons to strong pinning theory

Sarah C. Jones, Masashi Miura외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 21.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 90인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 나노입자 함입을 통해 (Y0.77,Gd0.23)Ba2Cu3O7−δ 초전도성 필름에서의 소용돌이 고정을 조사하며, 강한 고정 이론에 따르면 임계 전류 밀도(Jc)가 거듭제곱 법칙에 따라 Jc ∝ B−α 의 형태를 따른다는 것을 입증한다. 주요 발견은 α 값이 더 높은 나노입자 밀도에서 감소하고, 코herence 길이로 정규화된 나노입자 크기(d/ξ)가 증가함에 따라 증가하며, 고자기장 영역에서 Jc의 감쇠가 B−1에 가까워지는 것은 나노입자당 하나의 소용돌이가 포획됨을 시사한다. 이와 동시에 크리프 속도 S는 α의 경향을 그대로 따르며, 이는 강한 고정 이론의 예측을 뒷받对方한다.

ABSTRACT

One of the most promising routes for achieving unprecedentedly high critical currents in superconductors is to incorporate dispersed, non-superconducting nanoparticles to control the dissipative motion of vortices. However, these inclusions reduce the overall superconducting volume and can strain the interlaying superconducting matrix, which can detrimentally reduce $T_c$. Consequently, an optimal balance must be achieved between the nanoparticle density $n_p$ and size $d$. Determining this balance requires garnering a better understanding of vortex-nanoparticle interactions, described by strong pinning theory. Here, we map the dependence of the critical current on nanoparticle size and density in (Y$_{0.77}$,Gd$_{0.23}$)Ba$_2$Cu$_3$O$_{7-\delta}$ films in magnetic fields up to 35 T, and compare the trends to recent results from time-dependent Ginzburg-Landau simulations. We identify consistencies between the field-dependent critical current $J_c(B)$ and expectations from strong pinning theory. Specifically, we find that that $J_c \propto B^{-\alpha}$, where $\alpha$ decreases from $0.66$ to $0.2$ with increasing density of nanoparticles and increases roughly linearly with nanoparticle size $d/\xi$ (normalized to the coherence length). At high fields, the critical current decays faster ($\sim B^{-1}$), suggestive that each nanoparticle has captured a vortex. When nanoparticles capture more than one vortex, a small, high-field peak is expected in $J_c(B)$. Due to a spread in defect sizes, this novel peak effect remains unresolved here. Lastly, we reveal that the dependence of the vortex creep rate $S$ on nanoparticle size and density roughly mirrors that of $\alpha$, and compare our results to low-$T$ nonlinearities in $S(T)$ that are predicted by strong pinning theory.

연구 동기 및 목표

• 나노입자 크기와 밀도가 고온 초전도체에서 소용돌이 고정과 임계 전류 밀도(Jc)에 미치는 영향를 이해하기 위해.
• 강한 고정 이론의 예측을 고자기장(최대 35 T) 및 저온(T/Tc ≈ 0.05–0.5) 조건에서 검증하기 위해.
• YBCO 필름에서 관측된 비단조화적인 크리프 속도 S(T)의 기원을 규명하기 위해.
• Tc를 떨어뜨리지 않으면서 Jc를 최대화하기 위한 나노입자 밀도와 크기 사이의 최적 균형을 도출하기 위해.

제안 방법

• 통제된 나노입자 포함 크기(d)와 밀도(np)를 갖는 (Y0.77,Gd0.23)Ba2Cu3O7−δ 에피택셜 박막을 제작하였다.
• 강한 고정 효과를 분리하기 위해 저온(T/Tc ≈ 0.05–0.5)에서 최대 35 T까지의 자기장 의존 임계 전류 밀도 Jc(B)를 측정하였다.
• Jc(B) 데이터를 거듭제곱 법칙 형태 Jc ∝ B−α 로 피팅하여, np 및 d/ξ(코herence 길이로 정규화된 값)에 따른 α 를 추출하였다.
• 자기력 릴랙세이션 측정을 통해 소용돌이 크리프 속도 S를 분석하고, 그 값이 np 및 d에 대한 이론적 예측과 비교되었다.
• 실험적 Jc(B) 및 S(np, d) 경향을 시간에 따라 변화하는 기닉스-랜드우 이론(TDGL) 시뮬레이션과 강한 고정 이론의 수식적 기반과 비교하였다.
• 다중 소용돌이가 한 나노입자에 포획되는 현상의 증거로 고자기장 영역에서 Jc(B)의 피크가 나타나는지 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 고정 조건 하에서 YBCO 필름에서 나노입자 밀도(np)와 크기(d)가 Jc(B)의 자기장 의존성에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ2 실험적 Jc(B) 경향이 강한 고정 이론의 예측, 특히 Jc ∝ B−α 의 거듭제곱 법칙 행동과 얼마나 일치하는가?
• RQ3 한 나노입자당 다수의 소용돌이가 포획되는 것이 고자기장에서 Jc(B)에 명백한 피크를 유도하는가? 그리고 왜 이 현상은 여기서 해결되지 않았는가?
• RQ4 소용돌이 크리프 속도 S는 나노입자 크기와 밀도에 어떻게 영향을 받는가? 그리고 이는 거듭제곱 법칙 지수 α 의 행동을 그대로 따르는가?

주요 결과

• 저자기장 영역에서 Jc는 나노입자 밀도(np)에 대해 약 선형적으로 증가하지만, 높은 밀도에서趋于 포화되며, 이는 결함 농도 증가에 의한 Jc 향상의 한계를 시사한다.
• Jc ∝ B−α 에서의 거듭제곱 법칙 지수 α 는 나노입자 밀도 증가에 따라 0.66에서 0.2로 감소하며, 이는 강한 고정 이론과 일치한다.
• α 는 코herence 길이로 정규화된 나노입자 크기(d/ξ)에 대해 선형적으로 증가하며, 이는 더 큰 결함이 고정 강도를 향상시킨다는 이론적 기대를 확인한다.
• 고자기장 영역(B > 10 T)에서 Jc는 약 B−1 의 형태로 감쇠되며, 이는 각 나노입자가 하나의 소용돌이를 포획하고 있음을 시사하며, 이는 소용돌이 포화 현상과 일치한다.
• 결함 크기의 분포로 인해 고자기장 영역에서 Jc(B)의 명백한 피크가 관측되지 않으며, 이는 이론적으로 예측된 집단적 다중 소용돌이 포획 효과가 억제됨을 의미한다.
• 소용돌이 크리프 속도 S는 나노입자 밀도 증가에 따라 감소하고 d/ξ 증가에 따라 증가하며, np 및 d/ξ 에 대한 의존성은 지수 α 의 경향과 거의 정확히 일치한다. 이는 강한 고정 이론의 예측을 지지한다.