[논문 리뷰] Thin Film Magnesium Boride Superconductor with Very High Critical Current Density and Enhanced Irreversibility Field

Chang‐Beom Eom, M.K. Lee외 23명|arXiv (Cornell University)|2001. 03. 20.

Superconductivity in MgB2 and Alloys참고 문헌 10인용 수 382

한 줄 요약

이 연구는 에pitaxial 박막에서 미세구조 공학을 통해 양자역학적 특성을 향상시켜, 막대한 자기장에서의 초전도 응용 가능성을 입증한다. 박막 MgB₂ 초전도체는 4.2 K에서 14 T 이상의 높은 비가역 자기장과 1 T에서 1 MA/cm²를 초월하는 임계전류밀도를 확보하여, 기존의 다공성 MgB₂보다 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

The discovery of superconductivity at 39 K in magnesium diboride offers the possibility of a new class of low-cost, high-performance superconducting materials for magnets and electronic applications. With twice the critical temperature of Nb_3Sn and four times that of Nb-Ti alloy, MgB_2 has the potential to reach much higher fields and current densities than either of these technological superconductors. A vital prerequisite, strongly linked current flow, has already been demonstrated even at this early stage. One possible drawback is the observation that the field at which superconductivity is destroyed is modest. Further, the field which limits the range of practical applications, the irreversibility field H*(T), is ~7 T at liquid helium temperature (4.2 K), significantly lower than ~10 T for Nb-Ti and ~20 T for Nb_3Sn. Here we show that MgB_2 thin films can exhibit a much steeper temperature dependence of H*(T) than is observed in bulk materials, yielding H*(4.2 K) above 14 T. In addition, very high critical current densities at 4.2 K, 1 MA/cm_2 at 1 T and 10_5 A/cm_2 at 10 T, are possible. These data demonstrate that MgB_2 has credible potential for high-field superconducting applications.

연구 동기 및 목표

• 다공성 MgB₂에서 제한된 비가역 자기장(H*(T))으로 인해 고자기장 응용이 제한되는 문제를 해결하기 위해.
• 고자기장 전자기기 및 마그네틱 장치에 실용적으로 사용 가능한 MgB₂의 임계전류밀도(Jc)를 향상시키기 위해.
• 박막 구조가 다공성 다결정 MgB₂에 비해 H*(T)와 Jc의 온도 의존성 향상을 이룰 수 있는지 조사하기 위해.
• MgB₂ 박막이 초전도 전자기기 및 고자기장 마그네틱 장치에서 Nb₃Sn과 Nb-Ti의 저비용·고성능 대체재로 가능한지 평가하기 위해.

제안 방법

• Pulsed laser deposition(PLD)를 이용해 단일결정 기질 위에 에pitaxial MgB₂ 박막을 성장시켰다.
• 입자 경계에서의 진동자 핀닝을 향상시키고 결함을 감소시키기 위해 박막의 미세구조와 정렬도를 최적화하였다.
• 운반 및 자화 측정 기법을 통해 비가역 자기장(H*(T))의 온도 및 자기장 의존성을 측정하였다.
• 외부 자기장 하에서 저항성 전이 측정값으로부터 임계전류밀도(Jc)를 추출하였다.
• 자화 루프에서 저항성 히스테리시스의 시작점으로부터 비가역 자기장을 결정하였다.
• 박막과 다공성 다결정 MgB₂ 간의 비교 분석을 통해 박막 구조의 영향을 분리하여 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MgB₂ 박막은 다공성 MgB₂보다 비가역 자기장 H*(T)의 온도 의존성이 더 급격한가?
• RQ2 고자기장 하에서 4.2 K에서 MgB₂ 박막에서 달성 가능한 임계전류밀도(Jc)는 얼마인가?
• RQ3 에pitaxial 박막 구조는 다결정 다공성 MgB₂에 비해 비가역 자기장을 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 MgB₂ 박막은 고자기장에서 실용적인 전류밀도를 유지할 수 있는가? 이는 고자기장 초전도 장치에 실용적으로 적용 가능한가?

주요 결과

• MgB₂ 박막에서 4.2 K에서의 비가역 자기장 H*(4.2 K)는 14 T를 초과하며, 다공성 MgB₂에서 관측된 약 7 T보다 뚜렷이 높다.
• 1 T에서 4.2 K에서 임계전류밀도는 1 MA/cm²에 도달하여 높은 전류 지속 능력을 입증한다.
• 10 T에서도 임계전류밀도는 10⁵ A/cm²를 유지하여 고자기장에서도 강력한 비틀림 핀닝 성능을 보인다.
• 박막에서의 H*(T) 온도 의존성은 다공성 재료보다 훨씬 급격하여, 비틀림 입자 핀닝 효율이 향상됨을 시사한다.
• 높은 Jc와 향상된 H*(T)의 조합은 MgB₂ 박막이 고자기장 초전도 응용에 가능성을 지닌다.
• 이 결과들은 MgB₂ 박막이 고자기장 초전도 마그네틱 장치 및 전자 시스템에서 Nb₃Sn과 Nb-Ti의 신뢰할 수 있고 저비용 대체재가 될 수 있음을 시사한다.