[논문 리뷰] Review of superconducting properties of MgB2

Cristina Buzea, Tsutomu Yamashita|arXiv (Cornell University)|2001. 08. 16.

Superconductivity in MgB2 and Alloys참고 문헌 9인용 수 31

한 줄 요약

이 리뷰는 이종 화합물 중에서 최고의 Tc를 기록한 40 K를 가진 MgB2의 초전도성질을 종합적으로 다루며, 간단한 구조, 큰 코herence 길이, 높은 임계 전류 밀도(>10 MA/cm²), 그리고 투명한 결정립 경계를 강조한다. 본 논문은 그 응용 가능성과 전자 기기 응용 가능성을 다루며, 이방성과 에너지 갭 구조의 성격과 같은 해결되지 않은 문제들을 다룬다.

ABSTRACT

This review paper illustrates the main normal and superconducting state properties of magnesium diboride, a material known since early 1950's, but recently discovered to be superconductive at a remarkably high critical temperature Tc=40K for a binary compound. What makes MgB2 so special? Its high Tc, simple crystal structure, large coherence lengths, high critical current densities and fields, transparency of grain boundaries to current promises that MgB2 will be a good material for both large scale applications and electronic devices. During the last seven month, MgB2 has been fabricated in various forms, bulk, single crystals, thin films, tapes and wires. The largest critical current densities >10MA/cm2 and critical fields 40T are achieved for thin films. The anisotropy ratio inferred from upper critical field measurements is still to be resolved, a wide range of values being reported, between 1.2 and 9. Also there is no consensus about the existence of a single anisotropic or double energy gap. One central issue is whether or not MgB2 represents a new class of superconductors, being the tip of an iceberg who awaits to be discovered. Up to date MgB2 holds the record of the highest Tc in its class. However, the discovery of superconductivity in MgB2 revived the interest in non-oxides and initiated a search for superconductivity in related materials, several compounds being already announced to become superconductive: TaB2, BeB2.75, C-S composites, and the elemental B under pressure.

연구 동기 및 목표

• 최근 40 K에서 초전도성을 나타내는 것으로 밝혀진 MgB2의 정상 상태 및 초전도 상태 성질을 요약하기 위해.
• 높은 임계 전류 밀도와 자기장 내성으로 인해 MgB2가 대규모 장치 및 전자기기에서 실용적 응용 가능성을 평가하기 위해.
• 이방성 비율과 단일 또는 다중 에너지 갭의 존재 여부에 관한 열린 질문들을 다루기 위해.
• MgB2를 새로운 초전도체의 프로토타입으로 위치지어, 관련 물질에 대한 향후 연구를 자극하기 위해.

제안 방법

• 2001년 1월부터 7월까지 제조된 블록, 단일 결정, 박막, 테이프, 와이어에서의 실험 데이터를 체계적으로 검토하였다.
• 상한 임계 자기장 측정 분석을 통해 이방성 비율을 유추하였으며, 보고된 값은 1.2에서 9 사이였다.
• 특히 박막에서 >10 MA/cm² 및 40 T를 기록한 임계 전류 밀도와 임계 자기장 데이터를 평가하였다.
• 이론 모델과 실험 관측 결과를 비교하여 초전도 갭의 성격(단일 vs. 이중)을 평가하였다.
• 다양한 연구 그룹의 연구 결과를 통합하여 보고된 성질에 대한 공감대와 상충점을 평가하였다.
• 저널 참조 및 초전도체, 과학 및 기술 저널의 데이터를 활용하여 보고된 결과의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MgB2에서 40 K의 비정상적으로 높은 Tc는 무엇에 기인하는가, 그리고 다른 이종 화합물과 비교해보면 어떻게 되는가?
• RQ2 MgB2의 결정립 경계가 투명함으로써 얼마나 높은 임계 전류 밀도가 달성되는가?
• RQ3 MgB2의 진정한 이방성 비율은 얼마이며, 왜 보고된 값들 사이에 이렇게 큰 격차가 존재하는가?
• RQ4 MgB2는 단일 에너지 갭을 가지는가, 아니면 이중 에너지 갭을 가지는가, 각 모델을 뒷받침하는 증거는 무엇인가?
• RQ5 MgB2의 발견은 새로운 종류의 초전도체를 시사하는가, 그리고 향후 신소재 발견에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• MgB2는 발표 당시 이종 화합물 중에서 가장 높은 임계 온도 Tc = 40 K를 나타낸다.
• MgB2의 박막은 임계 전류 밀도가 10 MA/cm²를 초과하고 상한 임계 자기장이 최대 40 T에 이른다.
• 상한 임계 자기장 측정에서 유도된 이방성 비율은 1.2에서 9까지 다양하게 나타나, 아직 해결되지 않은 실험적 및 이론적 과제를 시사한다.
• MgB2가 단일 갭을 가지는지 다중 갭을 가지는지에 대한 공감대가 없으며, 다양한 실험 그룹 간의 해석이 상충된다.
• 이 물질의 단순한 격자 구조, 높은 코herence 길이, 그리고 투명한 결정립 경계는 고전류 응용에 매우 유망하다.
• MgB2의 발견은 산화물이 아닌 초전도체에 대한 관심을 재진입시켰으며, TaB2, BeB2.75, C-S 복합체, 압력 하에서의 붕소 등 관련 화합물에서 초전도성의 발견을 이끌었다.