[논문 리뷰] Origin of the high DC transport critical current density for the MgB2 superconductor

K H P Kim, W. N. Kang외 6명|arXiv (Cornell University)|2001. 03. 08.

Superconductivity in MgB2 and Alloys참고 문헌 7인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 고자기장 운반 측정을 통해 MgB2 초전도체에서 매우 높은 DC 운반 임계전류밀도(Jc)의 기원을 규명한다. 높은 Jc는 강한 입자 간 결합과 비틀림 유리상에 의한 강한 비틀림 포획에 기인하며, 이는 운반 측정과 자기 측정에서의 Jc 값이 다른 고온 초전도체와는 달리 일치하는 이유를 설명한다.

ABSTRACT

If the critical current density Jc is very high for a superconductor, then estimating its value from transport measurements is not very easy. In such cases, the value of Jc, called Jcm for magnetic Jc, is usually obtained from the measured magnetic hysteresis loop measurements by using a proper critical state model such as Bean's model (ref. 1). However, for bulk polycrystalline high temperature superconductors, the values of Jcm are much higher than the values, Jct, obtained from the transport measurements. This is due to the fact that the Jct is interrupted by weakly linked grain boundaries. However, for the recently discovered superconductor MgB2 (ref. 2), the grain boundary effect is negligible and these two values seem to coincide. Moreover, Jc increases drastically with decreasing the temperature. Consequently, the critical current densities for bulk wires can be very high, suggesting that numerous applications for the power transport. In this letter, we report the origin of the large current carrying capability of MgB2 based on direct measurements of the current-voltage relation in high magnetic fields. A strong coupling between the grains may be one reason for the absence of the weak link effect. Another reason may be the fact that, instead of a weak pinning mechanism such as thermally activated flux hopping, strong pinning due to a vortex glass phase is found in this material. The vortex phase diagram obtained from transport measurements shows that, in H-T space, a wide region below the Hc2 line is covered by a vortex glass phase.

연구 동기 및 목표

• MgB2에서 운반 측정에서 매우 높은 임계전류밀도(Jc)를 나타내는 이유를 이해하는 것.
• 기존 고온 초전도체에서 흔히 관찰되는 운반 측정 Jc(Jct)와 자기 측정 Jc(Jcm) 간의 괴리 문제를 해결하는 것.
• 다결정 MgB2에서 입자 경계와 비틀림 포착 메커니즘이 Jc에 미치는 영향을 조사하는 것.
• MgB2에서 높은 Jc를 유도하는 주요 원인이 강한 입자 간 결합인지, 강한 비틀림 포착인지 규명하는 것.

제안 방법

• 고자기장 하에서 다결정 MgB2 시료에 대해 직접전류-전압(I-V) 측정을 수행하였다.
• I-V 특성을 분석하여 운반 데이터에서 Jc 값을 추출하고, 자기 히스테리시스 루프 측정과 비교하였다.
• 비틀림 상태 모델(특히 비안의 모델)을 사용하여 자기 히스테리시스 루프에서 Jcm을 추출하였다.
• H-T 공간에서의 비틀림 상 다이어그램을 그려 비틀림 유리상 존재 여부를 확인하였다.
• 다양한 온도와 자기장에서 Jct와 Jcm를 비교함으로써 입자 경계 효과의 영향을 평가하였다.
• 강한 입자 간 결합이 약한 결합 행동을 억제하는 데 기여하는 바를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 MgB2에서는 운반 측정과 자기 측정에서 거의 동일한 Jc 값을 얻는가? 다른 고온 초전도체와는 어떻게 다른가?
• RQ2 MgB2에서 높은 Jc를 유도하는 주요 비틀림 포착 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 입자 경계 효과가 MgB2에서 다른 초전도체에 비해 Jc를 얼마나 제한하는가?
• RQ4 MgB2에 비틀림 유리상이 존재하는 것이 높은 Jc와 그 온도 의존성의 원인을 설명할 수 있는가?
• RQ5 강한 입자 간 결합이 MgB2에서 약한 결합 행동의 부재에 기여하는 방식은 무엇인가?

주요 결과

• 운반 측정에서의 임계전류밀도(Jct)와 자기 측정에서의 Jc(Jcm)는 MgB2에서 거의 동일하다. 이는 입자 경계 저항이 극히 미미함을 시사한다.
• 약한 결합 행동의 부재는 강한 입자 간 결합 덕분이며, 이는 입자 경계에서의 저항 손실을 최소화한다.
• Hc2 선 이하의 H-T 상 다이어그램 영역에 광범위하게 비틀림 유리상이 존재함을 확인하여 강한 비틀림 포착이 이루어짐을 나타낸다.
• 비틀림 유리상은 강력한 포착을 제공하며, 이는 플럭스 유동을 억제하고 특히 낮은 온도에서 Jc를 향상시킨다.
• MgB2에서의 높은 Jc는 열적 활성화 플럭스 점프가 아니라 비틀림 유리상에 의한 강력한 비틀림 포착 덕분에 주로 발생한다.
• 강한 결합과 강력한 비틀림 포착의 조합이 다결정 MgB2 와이어에서 관찰되는 매우 높은 Jc 값을 설명한다.