[논문 리뷰] Vortex dynamic, pinning and irreversibility field investigation in EuRbFe4As4 superconductor

В. А. Власенко, K. S. Pervakov외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 11.

Iron-based superconductors research참고 문헌 45인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 교류 자화율 및 직류 자화도 측정을 통해 단일결정 유라늄루비디움iron산화물산화물(EuRbFe₄As₄)에서 소용돌이 역학, 포획 및 비가역성에 대해 조사한다. 저자들은 낮은 자기장에서 6700 K의 활성화 에너지를 가지며, U₀ ∝ H⁻⁰.⁴⁷의 거듭제곱 법칙 감쇠를 보이며 열적으로 활성화된 플라스틱 포획을 시사하는 강한 소용돌이 포획을 규명하였다. 이는 평면 결함에 기인할 가능성이 높다. 비가역성 자기장 H_irr(T)는 H(T) = H(0)(1−T/T_c)^n 형태로 나타나며, n ≈ 2.15이며, 상한 임계 자기장 H_c2(0)는 135 T로 추정되며, H∥ab 방향에서 파울리 제한 행동과 일치한다.

ABSTRACT

We performed systematic AC susceptibility and magnetic moment measurements to investigate the vortex dynamics and pinning in the $EuRbFe_4As_4$ single crystal as a function of temperature, frequency, and DC magnetic field. The vortex solid-liquid line was determined and it fits well with $H(T_p)=H_0(1-t_p)^β$ using $β$=1.74-1.91, for $H\parallel ab$. It indicates a rather high pinning strength of the vortex system. The activation energy $U_0$ was determined from thermally activated flux creep theory and reached 6700 K at low fields, suggesting strong vortex pinning. A field dependence of $U_0(H\parallel ab)\sim H^a$ with $a=0.47$ suggests thermally activated plastic pinning or caused by planar defects. Magnetic moment measurements also confirmed strong pinning in a $EuRbFe_4As_4$ superconductor and the superconducting response gives the main contribution to the $M(H)$ hysteresis. Additionally, we found evidence of long-range magnetic interactions in $Eu^{2+}$ sublattice and the FM-like nature of $Eu^{2+}$ atoms ordering.

연구 동기 및 목표

• 철기반 초전도체인 EuRbFe₄As₄에서 소용돌이 역학 및 포획 메커니즘을 이해하는 것.
• 온도 및 자기장에 따른 소용돌이 고체-액체 전이선 및 비가역성 자기장 H_irr(T)를 결정하는 것.
• Eu²⁺ 자성 정렬이 소용돌이 거동 및 초전도 성질에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 포획 강도를 평가하기 위해 소용돌이 활성화 에너지 U₀ 및 그 자기장 의존성을 정량화하는 것.
• H_c2, H_irr, H_m(자기 정렬 전이점)을 포함한 종합적인 자성 상도를 구성하는 것.

제안 방법

• 교류 자화율 측정은 ab 평면에 따라 1 Oe의 교류 자기장과 33~9777 Hz의 주파수를 사용한 필드 냉각(FC) 조건에서 수행되었다.
• 직류 자화도(M(H)) 측정은 영자기장 냉각(ZFC) 및 필드 냉각(FC) 프로토콜을 사용한 진동 샘플 자석계량기(VSM)를 통해 확보되었다.
• 소용돌이 활성화 에너지 U₀는 주파수 의존적 교류 자화율 데이터를 이용한 열적으로 활성화된 플럭스 크리프 이론에서 추출되었다.
• 비가역성 자기장 H_irr는 ΔM(H) 히스테리시스에서 1 emu/g 기준을 사용하여 결정하고, H(T) = H(0)(1−T/T_c)^n에 적합시켰다.
• 상한 임계 자기장 H_c2는 초전도 전이의 시작점에서 추정되었으며, WHH 모델 예측과 비교되었다.
• 화학 조성 및 결정 품질은 SEM-EDS를 통해 확인되었으며, 원소의 균일한 분포와 미세한 EuFe₂As₂ 이물질 상 존재를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 EuRbFe₄As₄에서 소용돌이 고체-액체 전이의 온도 및 자기장 의존성은 어떻게 되는가?
• RQ2 소용돌이 포획은 얼마나 강한가? 그리고 소용돌이 활성화 에너지 U₀의 자기장 의존성은 무엇인가?
• RQ3 Eu²⁺ 자성 정렬의 존재가 소용돌이 역학 및 비가역성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 상한 임계 자기장 H_c2(0)는 얼마이며, 이론적 추정치와 비교해 보면 어떻게 되는가?
• RQ5 소용돌이 상 경계선(H_c2, H_irr, H_m)은 온도에 따라 어떻게 스케일링되며, 이는 소용돌이 상태에 대해 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• 소용돌이 고체-액체 전이선은 H(T_p) = H₀(1−t_p)^β에 잘 맞으며, β = 1.74–1.91로 나타나 강한 소용돌이 포획을 시사한다.
• 소용돌이 활성화 에너지 U₀는 낮은 자기장에서 6700 K에 도달하여 소용돌이 시스템에서 강한 포획을 확인한다.
• U₀의 자기장 의존성은 H∥ab에서 U₀ ∝ H⁻⁰.⁴⁷를 따르며, 열적으로 활성화된 플라스틱 포획 또는 평면 결함과 일치한다.
• 임계 전류 밀도 J_c ∝ H⁻a이며, 0.55 < a < 0.68로 나타나 강한 포획에 대한 이론적 H⁻⁵/⁸ 의존성과 양호한 일치를 보인다.
• 비가역성 자기장 H_irr(T)는 H(T) = H(0)(1−T/T_c)^n 형태로 나타나며, n ≈ 2.15이며, H_irr(0) ≈ 70 T이다.
• 상한 임계 자기장 H_c2(0)는 135 T로 추정되었으며, n = 2.15이며, H∥ab 방향에서 파울리 제한 행동과 일치한다. 다만 직접 측정치는 약 70–80 T 수준으로 나타나, 일부 모순이 존재한다.