[논문 리뷰] On the fundamental definition of critical current in superconductors

E. F. Talantsev|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 24.

Superconducting Materials and Applications참고 문헌 2인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 초전도체에서 임계전류(Ic)를 정의하는 데 있어 전통적인 전기장 임계값(Ec = 1 μV/cm)보다도 표면 자속밀도(Bsurf)의 비선형에서 선형으로의 전이가 더 근본적이고 신뢰할 만한 기준임을 제안한다. 2G 고온초전도체 테이프에 대한 실험 결과, 이 Bsurf 전이가 Ic_E보다 10–15% 낮은 Ic_surfB에서 발생함을 확인하여, 오랫동안 지속된 임계전류 정의의 모호성을 제거하고 물리적으로 구분 가능한 측정 가능한 전이점으로서의 정의를 제시한다.

ABSTRACT

Transport critical current, Ic, is usually defined in terms of a threshold electric field criterion, Ec, with the convention Ec = 1 microVolt/cm, chosen somewhat arbitrarily to provide "reasonably small" electric power dissipation in practical devices. Thus Ic is not fundamentally determined. However, recently it was shown, that the self-field critical current of thin-film superconductors is indeed a fundamental property governed only by the London penetration depth. Here we reconsider the definition of critical current and resolve the apparent contradiction. We measure the field distribution across the width of 2G high-Tc superconducting tapes as the transport current is increased to Ic. We identify a threshold current, Ic_surfB, at which two physical events occur simultaneously: (i) an abrupt crossover from non-linear to linear dependence of the local surface magnetic flux density, Bsurf, as a function of transport current measured at any point on the superconductor surface. This effect was not reported previously. (ii) the appearance of a non-zero electric field, just above of the sensitivity of measuring system. In the present examples Ic_surfB is 10-15% lower than Ic_E determined by the Ec criterion. We propose the transition of Bsurf(I) from non-linear to linear as the most reliable and more fundamental technique for measuring transport critical currents.

연구 동기 및 목표

• 초전도체에서 임계전류(Ic)의 근본적 정의에 존재하는 모호성을 해결하기 위해.
• 전기장 임계값에 의존하지 않고도 물리적으로 구분 가능하고 측정 가능한 전이점을 식별하여 Ic를 정의하기 위해.
• 증가하는 전류에 대한 표면 자속밀도(Bsurf) 응답이 임계전류를 더 신뢰할 만하고 근본적인 기준으로서 작용함을 입증하기 위해.
• 기존의 Ec = 1 μV/cm 기준이 초전도체 물리학의 근본적인 기초에 뿌리를 두지 않은 채 임의로 설정된 것으로 간주되므로 이를 도전하기 위해.

제안 방법

• 증가하는 전류를 통과시킬 때 2G 고온초전도체 테이프의 너비 방향으로 자장 분포를 측정하기 위해.
• 전류의 변화에 따라 초전도체 표면의 다양한 지점에서 국소적인 표면 자속밀도(Bsurf)를 모니터링하기 위해.
• Bsurf(I)가 비선형에서 선형으로 급격히 전이되는 전류를 식별하여 Ic_surfB로 정의하기 위해.
• 민감한 측정 시스템을 사용하여 비제로 전기장 발생 시점을 동시에 감지하기 위해.
• Ic_surfB를 기존의 Ec = 1 μV/cm 기준에 따라 정의된 Ic_E와 비교하기 위해.
• 로렌츠 침투 깊이를 이론적 근거로 삼아 Bsurf 전이의 근본적 성격을 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전기장 임계값보다 더 근본적인 임계전류 정의를 위한 자장 응답에서 나타나는 어떤 물리적 전이가 존재하는가?
• RQ2 왜 기존의 Ic_E 기준(Ec = 1 μV/cm)이 초전도체의 근본적 성질을 올바르게 반영하지 못하는가?
• RQ3 임계전류에서 표면 자속밀도(Bsurf)가 전류에 대해 어떻게 변화하는가?
• RQ4 Bsurf(I) 전이가 더 신뢰할 수 있고 물리적으로 타당한 방법으로 Ic 측정에 사용될 수 있는가?
• RQ5 실제 2G 고온초전도체 테이프에서 Ic_surfB(Bsurf 선형성 기반)와 Ic_E(Ec = 1 μV/cm 기반) 사이의 정량적 차이는 얼마인가?

주요 결과

• 표면 자속밀도(Bsurf)의 전류에 대한 비선형에서 선형으로의 전이가 Ic_surfB에서 발생하며, 이는 기존의 Ec = 1 μV/cm 기준에 의해 정의된 Ic_E보다 10–15% 낮다.
• 이 Bsurf 전이는 감지 가능한 전기장 발생과 동시에 발생하는 이전에 보고되지 않은 물리적 사건으로, 초전도 거동의 근본적 변화를 나타낸다.
• Bsurf(I) 선형성 전이가 임의의 전기장 기준보다 더 신뢰할 수 있고 물리적으로 타당한 임계전류 정의 기준으로서 식별된다.
• 박막 초전도체에서의 자기장 임계전류는 본질적으로 룬던 침투 깊이에 의해만 결정되며, 이는 Bsurf 전이의 물리적 기반을 뒷받침한다.
• 이 방법은 매크로스코픽 수준에서 자장 응답의 급격하고 측정 가능한 변화를 감지함으로써 Ic의 더 정확하고 일관성 있는 결정을 가능하게 한다.
• 결과적으로 실험적 Ic_E 정의와 이론적으로 예상되는 Ic의 근본적 성질 간 오랫동안 지속된 모순을 해결한다.