[논문 리뷰] Trapped magnetic flux in hydrogen-rich high-temperature superconductors

V. S. Minkov, Ksenofontov, V.외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 28.

High-pressure geophysics and materials인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 고압에서 수소 농축 수화물의 초전도성을 탐지하기 위해 기존 전기적 전도도 및 자화도 측정 방법의 한계를 극복하는 새로운 고착자속 자기 측정 기법을 소개한다. 이 방법은 H3S에서 Tc ~195 K, 임계장, 룬던 침투 깊이 (~37 nm), 임계 전류 밀도를 약 155 GPa에서 정밀하게 결정할 수 있으며, 표준 방법에 비해 감도가 향상되고 배경 노이즈가 감소한 특징을 가진다.

ABSTRACT

Recent discoveries of superconductivity in hydrogen-rich compounds stabilized by high pressures have shown that a critical temperature of superconductivity Tc can reach near room temperature values. The current studies focus on the search for new superconductors with higher Tcs to understand the ultimate limit of conventional superconductivity, and high-Tc superconductors at lower pressures. However, high pressure conditions put serious limitations on experimental studies. Electrical transport measurements have long been the primary experimental technique for reliable detection of superconductivity at high pressures, whereas magnetic susceptibility measurements continue to be a challenge. Here, we dramatically changed the protocol of magnetic measurements to probe the trapped magnetic flux. We tested this technique on samples of H3S and LaH10 and propose it for a routine examination of superconductivity at high pressures. Using the temperature- and magnetic field dependences of the trapped flux we estimated Tc ~195 K, a lower critical field ~0.36 T, an irreversibility field ~1.7 T, a full penetration field ~8.8 T, the London penetration depth ~37 nm, and critical current densities jc(T) in H3S at ~155 GPa in a wide temperature range. The trapped flux method is found to be sensitive to a particular phase in a mixture of superconducting phases: concomitant phases of sulfur and hydrogen-depleted LaHx were detected. In contrast to the Meissner state occurring at low external magnetic fields, a magnetic response from the trapped flux at zero applied magnetic field is in tens times stronger and is not contaminated by the magnetic background of a bulky diamond anvil cell. This technique can be a powerful tool for the screening of new superconducting materials, the study of multiphase, contaminated samples, or samples with a low superconducting fraction at ambient pressure too.

연구 동기 및 목표

• 기존 자화도 측정 방법이 실험적 복잡성과 배경 간섭으로 인해 제한되는 고압 수소 농축 수화물의 초전도성 탐지 문제를 해결하기 위해.
• 고압 조건에서 복잡한 다상 또는 저농도 샘플에서 초전도 상을 식별하기 위한 견고하고 routine 가능한 방법을 개발하기 위해.
• 수소 농축 초전도체에서 Tc, 임계장, 침투 깊이, 임계 전류 밀도와 같은 핵심 초전도 매개변수를 정확히 결정할 수 있도록 하기 위해.
• 혼합물에서, 예를 들어 LaH10의 수소 빈도가 높은 LaHx와 H3S와 같은 개별 초전도 상에 대한 감도를 입증하기 위해.

제안 방법

• 이 기법은 초전도체에 자기장을 도핑하여 플럭스 라인을 정렬한 후, 외부 자기장을 제거하여 자기장을 고착시키며, 이후 외부 자기장이 없는 조건에서 고착된 자기장을 탐지하는 방식이다.
• 고착된 자기장의 응답은 SQUID 기반 자석도계를 사용하여 측정되며, 이는 저자기장에서 메이시너 효과보다 수십 배 강한 신호를 제공한다.
• 이 방법은 다이아몬드 압력 셀을 갖춘 입방 압력 셀을 사용하여 H3S와 LaH10의 고압 샘플에 적용되며, 고압 조건에서의 실시간 측정이 가능하다.
• 온도 및 자기장 의존성 고착자속 측정을 통해 기니스부르그-랜드의 이론과 룬던 이론에 근거한 피팅을 통해 초전도 매개변수를 추출한다.
• 다양한 초전도 상이 존재하는 다상 샘플(예: H3S와 LaHx)에서 서로 다른 자기 반응을 탐지함으로써 이 기법의 유효성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고착자속 측정이 기존 자화도 측정에 비해 더 민감하고 배경이 없는 초전도성 탐지 방법으로서 고압 수소 농축 수화물에 적용될 수 있는가?
• RQ2 고착자속 방법이 H3S와 같은 수소 빈도가 높은 LaHx의 혼합물과 같은 다상 혼합물에서 개별 초전도 상을 어느 정도 해상도로 구분할 수 있는가?
• RQ3 고압 조건에서 H3S의 핵심 초전도 매개변수—Tc, 하한 임계장, 비가역성 자기장, 침투 깊이, 임계 전류 밀도의 정량적 값은 무엇인가?
• RQ4 표준 자기 측정에서 메이시너 효과에 비해 고착자속 신호의 크기와 신뢰성은 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• H3S의 임계온도 Tc는 약 155 GPa 압력에서 약 195 K로 결정되었으며, 고온 초전도성과 일치한다.
• 하한 임계장 Hc1은 약 0.36 T로 추정되었고, 비가역성 자기장 Hinvar는 약 1.7 T로 측정되어 강한 비틀림 포획 특성을 나타낸다.
• 전체 침투 자기장 Hc2는 약 8.8 T로 측정되었으며, 룬던 침투 깊이 약 ~37 nm와 일치하여 타입-II 초전도체임을 확인한다.
• 10 K에서 H3S의 임계 전류 밀도 jc(T)는 약 10^6 A/cm² 수준으로 추정되어 높은 전류 지속 능력을 나타낸다.
• 고착자속 방법은 함께 존재하는 초전도 상인 황과 수소 빈도가 높은 LaHx를 탐지하여 다상 샘플에서 상 특이적인 감도를 입증했다.
• 고착자속 신호는 메이시너 효과보다 수십 배 강했으며, 다이아몬드 압력 셀에서의 배경 노이즈가 최소화되어 측정 감도가 향상되었다.