[논문 리뷰] Significant enhancement of the upper critical field in the two-gap superconductor MgB2 by selective tuning of impurity scattering

A. Gurevich, S. Patnaik외 17명|arXiv (Cornell University)|2003. 05. 20.

Superconductivity in MgB2 and Alloys참고 문헌 18인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 고저항성 필름에서 비자화 불순물 도핑을 통해 MgB2의 상한 임계장 $H_{c2}$ 가 상당히 향상됨을 보여주며, 영온도에서 수직 방향으로 34 T, 평행 방향으로 49 T의 기록적인 값을 달성하였다. 이 향상은 더러운 한계에서의 이중밴드 초전도성에 기인하며, 기존의 코팅형 초전도체인 Nb3Sn과 Nb-Ti를 초월하는 비례 없는 $H_{c2}$ 성능을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We report a significant enhancement of the upper critical field $H_{c2}$ of different $MgB_2$ samples alloyed with nonmagnetic impurities. By studying films and bulk polycrystals with different resistivities $ ho$, we show a clear trend of $H_{c2}$ increase as $ ho$ increases. One particular high resistivity film had zero-temperature $H_{c2}(0)$ well above the $H_{c2}$ values of competing non-cuprate superconductors such as $Nb_3Sn$ and Nb-Ti. Our high-field transport measurements give record values $H_{c2}^\perp (0) \approx 34T$ and $H_{c2}\|(0) \approx 49 T$ for high resistivity films and $H_{c2}(0)\approx 29 T$ for untextured bulk polycrystals. The highest $H_{c2}$ film also exhibits a significant upward curvature of $H_{c2}(T)$, and temperature dependence of the anisotropy parameter $\gamma(T) = H_{c2}\|/ H_{c2}^\perp$ opposite to that of single crystals: $\gamma(T)$ decreases as the temperature decreases, from $\gamma(T_c) \approx 2$ to $\gamma(0) \approx 1.5$. This remarkable $H_{c2}$ enhancement and its anomalous temperature dependence are a consequence of the two-gap superconductivity in $MgB_2$, which offers special opportunities for further $H_{c2}$ increase by tuning of the impurity scattering by selective alloying on Mg and B sites. Our experimental results can be explained by a theory of two-gap superconductivity in the dirty limit. The very high values of $H_{c2}(T)$ observed suggest that $MgB_2$ can be made into a versatile, competitive high-field superconductor.

연구 동기 및 목표

• 비자화 불순물 산란이 MgB2에서 상한 임계장 $H_{c2}$ 에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• Mg 및 B 위치에서의 선택적 합금화가 기존의 한계를 초월해 $H_{c2}$ 를 향상시킬 수 있는지 판단하기 위해.
• 더러운 한계에서 이중밴드 초전도성이 어떻게 향상된 $H_{c2}$ 를 가능하게 하는지 탐구하기 위해.
• 고저항성 MgB2 필름과 다결정체에서 관측된 $H_{c2}$ 와 이방성의 이례적인 온도 의존성을 측정하고 설명하기 위해.

제안 방법

• 다양한 저항도 $\rho$ 를 가진 MgB2 필름과 다결정체에서 고자기장 전기적 성질 측정을 수행하여 $H_{c2}$ 와 불순물 산란 간의 상관관계를 분석하였다.
• Mg 및 B 위치에서의 선택적 합금화를 통해 불순물 산란률을 조절하여 더러운 한계 영역을 제어하였다.
• 이중밴드 메커니즘을 탐색하기 위해 온도 의존성 $H_{c2}(T)$ 와 이방성 $\gamma(T) = H_{c2}\| / H_{c2}^\perp$ 를 측정하였다.
• 관측된 $H_{c2}$ 향상과 이례적인 $\gamma(T)$ 행동을 설명하기 위해 더러운 한계에서의 이중밴드 초전도성 이론 모델링을 적용하였다.
• 저항도 $\rho$ 를 체계적으로 변화시켜 불순물 농도와 $H_{c2}$ 증가 간의 명확한 경향성을 확립하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비자화 불순물 산란은 MgB2에서 상한 임계장 $H_{c2}$ 에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 Mg 및 B 위치에서의 선택적 합금화가 MgB2에서 측정 가능한 $H_{c2}$ 향상으로 이어질 수 있는가?
• RQ3 고저항성 필름에서 이방성 계수 $\gamma(T)$ 가 온도가 감소함에 따라 감소하는 이유는 무엇인가? 이는 단일 결정체의 행동과 반대이다.
• RQ4 최적의 불순물 산란 조건에서 MgB2에서 달성 가능한 최대 $H_{c2}$ 는 얼마인가?
• RQ5 더러운 한계에서의 이중밴드 초전도성이 관측된 $H_{c2}$ 향상에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 최고의 $H_{c2}$ 필름에서 $H_{c2}^\perp(0) \approx 34\,\text{T}$ 와 $H_{c2}\|(0) \approx 49\,\text{T}$ 를 달성하여 MgB2의 기록적인 수치를 경신하였으며, Nb3Sn 및 Nb-Ti의 $H_{c2}$ 값을 초월하였다.
• 저항도 $\rho$ 가 증가할수록 $H_{c2}$ 가 증가하는 명확한 경향이 관측되어, 불순물 산란이 MgB2에서 $H_{c2}$ 를 향상시킨다는 것을 시사한다.
• 고저항성 필름은 $H_{c2}(T)$ 에서 상향 곡선을 보이며, 더러운 한계에서 강한 이중밴드 효과의 징후로 나타났다.
• 이방성 계수 $\gamma(T)$ 는 온도가 감소함에 따라 $\gamma(T_c) \approx 2$ 에서 $\gamma(0) \approx 1.5$ 로 감소하였으며, 이는 단일 결정체의 행동과 정반대였다.
• 비정질 다결정체는 $H_{c2}(0) \approx 29\,\text{T}$ 를 달성하여 다결정 형태에서도 이 향상가 지속됨을 확인하였다.
• 실험 결과는 더러운 한계에서의 이중밴드 초전도성 이론에 의해 정량적으로 설명되며, 선택적 불순물 조절의 역할을 검증하였다.