[논문 리뷰] Flux jumps and vortex pinning in Ba$_{0.65}$Na$_{0.35}$Fe$_2$As$_2$ single crystals

A. K. Pramanik, Saicharan Aswartham외 4명|arXiv (Cornell University)|2012. 05. 10.

Iron-based superconductors research참고 문헌 58인용 수 19

한 줄 요약

이 연구는 이sov온자기화도(M(H)) 및 자화 안정성 측정을 통해 구멍 도핑된 Ba₀.₆₅Na₀.₃₅Fe₂As₂ 단일 결정에서의 플럭스 점프와 비틀림 포획을 조사한다. 낮은 온도에서 뚜렷한 두 번째 피크(어항 효과)와 강한 플럭스 점프가 관측되며, 임계 전류 밀도(Jc)는 10⁶ A/cm²를 초과한다. 이는 고밀도의 점결함에 의한 집단적(약한) 포획 메커니즘에 기인하며, 플럭스 크리프에 의한 자화 안정성이 증가한다. 이는 등온 모델이 아닌 플럭스 크리프에 기인한 것으로 밝혀졌다.

ABSTRACT

In this work we present the results of the bulk magnetization measurements in a superconducting state of single crystals of Ba$_{0.65}$Na$_{0.35}$Fe$_2$As$_2$. The isothermal magnetic field ($H||c$ axis) dependent magnetization ($M$) loops exhibit a second peak (SP) or `fishtail effect', as well as remarkable flux jumps at low temperatures. The critical current density $J_c$ obtained from the $M(H)$ loops is rather high, of the order of 10$^6$ A/cm$^2$. The analysis of the temperature and field dependent $J_c$ implies that high $J_c$ is mainly due to collective (weak) pinning of vortices by dense microscopic point defects with some contribution from a strong pinning mechanism. Pronounced magnetic instabilities in terms of flux jumps depend strongly on temperature as well on the field sweep rate. The field for first flux jump as calculated from an adiabatic model, however, is much lower than the experimentally observed values, and this enhanced stability is attributed to a flux creep phenomenon. The analysis of field dependent magnetic relaxation data additionally supports a collective pinning model. The data further suggests that SP in M(H) is likely related to crossover in creep dynamics from elastic to plastic mechanism. We have constructed the vortex phase diagram on field-temperature plane.

연구 동기 및 목표

• 이sov온자기화도(M(H)) 루프에서의 플럭스 점프 및 비틀림 포획 메커니즘을 연구한다.
• 이sov온 M(H) 루프에서 관측된 두 번째 피크(어항 효과)의 기원을 규명한다.
• 플럭스 크리프 및 스캔 속도가 플럭스 점프를 억제하거나 연기하는 데 미치는 영향을 분석한다.
• 실용적 및 기본적 통찰을 얻기 위해 자기장-온도 평면 상의 비틀림 상 다이어그램을 구축한다.
• 고임계 전류 밀도(Jc)에 기여하는 집단적 포획과 강한 포획 메커니즘의 기여도를 평가한다.

제안 방법

• 자기장이 c축에 수직으로 작용하는 SQUID-VSM을 사용하여 부피 자화 측정을 수행하였다.
• 어항 효과와 플럭스 점프를 탐지하기 위해 다양한 온도에서 이sov온 M(H) 루프를 획득하였다.
• Bean 임계 상태 모델을 사용하여 M(H) 루프에서 Jc를 계산하고, 온도 및 자기장 의존성을 분석하였다.
• 비틀림 크리프 동역학을 탐색하기 위해 자기장 의존성 자화 안정성(M(t)) 측정을 수행하였다.
• 이론적 플럭스 점프 자기장 예측을 위해 등온 모델을 적용하고 실험 값과 비교하였다.
• 특성 자기장(H_irr, H_p, H_m)을 기능적 형태 H_x(T) = H_x(0)(1 - T/T_c)^n에 맞춰서 피팅하여 임계 지수를 추출하고 비틀림 상 다이어그램을 구축하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ba₀.₆₅Na₀.₃₅Fe₂As₂의 이sov온 M(H) 루프에서 관측된 뚜렷한 두 번째 피크(어항 효과)의 원인은 무엇인가?
• RQ2 왜 저온에서 플럭스 점프가 관측되며, 스캔 속도와 온도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 실험적으로 관측된 첫 번째 플럭스 점프 자기장이 등온 모델 예측보다 현저히 높은 이유는 무엇인가?
• RQ4 이 물질에서 고 Jc(>10⁶ A/cm²)를 만들어내는 주요 비틀림 포획 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 자기장-온도 평면 상의 비틀림 상 다이어그램은 이 초전도체의 안정성과 실용성에 어떻게 반영되는가?

주요 결과

• 이sov온 M(H) 루프는 Tc = 29.4 K에 가까운 온도까지도 뚜렷한 두 번째 피크(어항 효과)를 나타낸다.
• 저온에서 플럭스 점프가 관측되며, 느린 자기장 스캔 속도에 의해 크게 억제되어 첫 번째 플럭스 점프 자기장(H_fj)이 증가한다.
• 실험적으로 관측된 H_fj는 등온 모델 예측보다 현저히 높으며, 플럭스 크리프에 의한 안정성 향상으로 인한 것으로 나타났다.
• 2 K에서 임계 전류 밀도 Jc는 10⁶ A/cm²를 초과하며, 주로 고밀도의 미세한 점결함에 의한 집단적(약한) 포획 메커니즘에 기인한다.
• 자화 안정성 데이터는 집단적 포획 모델을 지지하며, M(H)의 두 번째 피크는 탄성에서 연성 크리프 동역학으로의 전이에 기인할 가능성이 높다.
• 비틀림 상 다이어그램은 비틀림 액체 상이 좁은 영역에 국한되어 있음을 보여주며, 비틀림 고체 상이 지배적이므로 실용적 안정성이 높다.