[논문 리뷰] Magnetic evidence for hot superconductivity in multi-walled carbon nanotubes

Guo‐meng Zhao, Pieder Beeli|arXiv (Cornell University)|2005. 09. 01.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 다중벽 그래핀 나노튜브(MWNTs)에서 실온을 초월하는 온도에서 초전도성을 보여주는 자기적 증거를 제시한다. 두 개의 별도 전이가 관찰되었으며, 하나는 533–700 K에서 관찰된 입자 간 조지프슨 결합에 기인하고, 다른 하나는 약 1200 K에서 관찰되었다. 이 결과는 자기장 의존성 전이, 직접 측정된 2%의 반자성 마이스너 분율과 유추된 14%의 반자성 분율, 그리고 700 K까지 지속되는 잔류 자화를 통해 뒷받meld어지며, 이는 이러한 1차원에 가까운 시스템에서 고온 초전도성을 강력히 시사한다.

ABSTRACT

We report magnetic measurements up to 1200 K on three different multi-walled carbon nanotube mat samples using Quantum Design vibrating sample magnetometers. Three different samples prepared from arc discharge or chemical vapor deposition contain magnetic impurities ranging from about 100 ppm to about 1.5%. Our precise magnetic data clearly show two superconducting transitions, one at temperatures between 533 K and 700 K, and another at about 1200 K. The first transition temperature T_cJ, which coincides with the transition temperature seen in the resistance data, depends very strongly on the magnetic field, as expected from the onset of intergrain Josephson coupling in granular superconductors. The strong field dependence of T_cJ also excludes magnetic contaminants as the origin of the first transition. We also present direct and inferred diamagnetic Meissner fractions of 2 and 14%, respectively. The present results provide compelling evidence for superconductivity well above room temperature in multi-walled carbon nanotubes.

연구 동기 및 목표

• 실온을 초월하는 온도에서 다중벽 그래핀 나노튜브(MWNTs)의 고온 초전도성에 대한 확실한 자기적 증거를 제공하는 것.
• 자기장 의존 측정을 통해 자기적 불순물 기여와 구분되는 본질적 초전도 전이를 식별하는 것.
• 반자성 반응, 잔류 자화 및 전이 온도의 자기장 의존성을 통해 다입자 초전도성의 존재를 검증하는 것.
• 이전에 보고된 실온 초전도성에 대한 모순되는 결과를 해소하기 위해 고정밀, 고온 자기측정 데이터를 제공하는 것.

제안 방법

• 3개의 불순물 농도가 다른 MWNT 매트 샘플에 대해 최대 1200 K까지 Quantum Design의 진동 샘플 자기계측기(VSM)를 사용하여 자기측정을 수행하였다.
• 초저자기장 작동(최소 0.03 Oe)을 통해 마이스너 효과에서 유래하는 약한 반자성 신호를 감지할 수 있었다.
• 냉각 및 가열 과정에서의 자화도를 분석하여 초전도 전이와 잔류 자화를 식별하기 위해 필드 냉각(FC) 및 영자장 냉각(ZFC) 곡선을 분석하였다.
• 냉각 및 가열 사이클에서 자기감도의 온도 의존성을 측정하여 히스테리시스 및 지속 전류를 탐지하였다.
• 직접 마이스너 효과에서 유래한 반자성 분율과 ZFC 및 FC 곡선 간의 차이에서 추론된 반자성 분율을 계산하였다.
• 입자 간 전이 온도 $T_{cJ}$ 의 자기장 의존성을 분석하여 조지프슨 결합을 확인하고 자기적 불순물의 기여를 배제하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1200 K까지의 자기측정을 통해 다중벽 그래핀 나노튜브에서 초전도성이 확실하게 입증될 수 있는가?
• RQ2 약 700 K에서 관찰된 초전도 전이의 기원은 무엇이며, 이는 어떤 자기장에 의해 영향을 받는가?
• RQ3 관찰된 반자성 반응과 잔류 자화는 자기적 불순물의 영향과 어떻게 구별될 수 있는가?
• RQ4 약 1200 K에서 관찰된 고온 전이가 나노튜브의 본질적 성질인지 외부 상의 기여인가?
• RQ5 이 자기적 서명은 이전의 저항성 및 스펙트로스코픽 데이터와 어떻게 관련이 있는가?

주요 결과

• 두 개의 별도된 초전도 전이가 관찰되었으며, 하나는 533–700 K에서, 다른 하나는 약 1200 K에서 관찰되었다. 낮은 온도 전이가 이전에 보고된 저항 전이와 일치하였다.
• 입자 간 전이 온도 $T_{cJ}$ 는 강한 자기장 의존성을 보였으며, 이는 다입자 초전도체에서의 조지프슨 결합과 일치하고, 자기적 불순물의 기여와는 일치하지 않았다.
• 실온에서 직접 측정된 반자성 마이스너 분율은 2%였으며, 이는 궤도 반자성 기여보다 최소 두 배 이상 높았다.
• 실온에서 유추된 반자성 분율은 14%로 계산되었으며, 이는 상당한 초전도 반응을 나타내었다.
• 초전도 잔류 자화가 700 K까지 지속되었으며, 이는 이 온도 이하에서 샘플의 일부에서 저항이 없는 상태가 유지됨을 시사한다.
• 실온에서 나노튜브의 본질적 반자성 감도는 330 K에서 $-2.5 \times 10^{-3}$ emu/g로 측정되었으며, 이는 전체 마이스너 효과의 약 7%에 해당하여 본질적 초전도성을 확인한다.