[论文解读] Flux jumps and vortex pinning in Ba$_{0.65}$Na$_{0.35}$Fe$_2$As$_2$ single crystals

A. K. Pramanik, Saicharan Aswartham+4 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2012

Iron-based superconductors research参考文献 58被引用 19

一句话总结

本研究通过等温磁化（M(H)）和磁弛豫测量，探究了空穴掺杂Ba₀.₆₅Na₀.₃₅Fe₂As₂单晶中的通量跳跃和涡旋钉扎行为。结果揭示了在低温下存在显著的第二峰值（鱼尾效应）和强烈的通量跳跃，临界电流密度超过10⁶ A/cm²，主要归因于密集点缺陷的集体（弱）钉扎作用；而磁稳定性增强则源于涡旋蠕变，而非绝热模型。

ABSTRACT

In this work we present the results of the bulk magnetization measurements in a superconducting state of single crystals of Ba$_{0.65}$Na$_{0.35}$Fe$_2$As$_2$. The isothermal magnetic field ($H||c$ axis) dependent magnetization ($M$) loops exhibit a second peak (SP) or `fishtail effect', as well as remarkable flux jumps at low temperatures. The critical current density $J_c$ obtained from the $M(H)$ loops is rather high, of the order of 10$^6$ A/cm$^2$. The analysis of the temperature and field dependent $J_c$ implies that high $J_c$ is mainly due to collective (weak) pinning of vortices by dense microscopic point defects with some contribution from a strong pinning mechanism. Pronounced magnetic instabilities in terms of flux jumps depend strongly on temperature as well on the field sweep rate. The field for first flux jump as calculated from an adiabatic model, however, is much lower than the experimentally observed values, and this enhanced stability is attributed to a flux creep phenomenon. The analysis of field dependent magnetic relaxation data additionally supports a collective pinning model. The data further suggests that SP in M(H) is likely related to crossover in creep dynamics from elastic to plastic mechanism. We have constructed the vortex phase diagram on field-temperature plane.

研究动机与目标

• 研究空穴掺杂Ba₀.₆₅Na₀.₃₅Fe₂As₂单晶中的通量跳跃与涡旋钉扎机制。
• 确定等温M(H)回线中第二峰值（鱼尾效应）的起源。
• 分析涡旋蠕变与磁场扫描速率在抑制或延迟通量跳跃中的作用。
• 在磁场-温度平面上构建涡旋相图，以获得实际与基础研究的洞见。
• 评估集体钉扎与强钉扎机制对高临界电流密度（Jc）的贡献。

提出的方法

• 使用SQUID-VSM进行体材料磁化测量，磁场沿c轴方向（H||c）。
• 在不同温度下获取等温M(H)回线，以检测鱼尾效应与通量跳跃。
• 基于Bean临界态模型从M(H)回线计算Jc，并分析其随温度与磁场的变化关系。
• 进行磁场依赖的磁弛豫（M(t)）测量，以探测涡旋蠕动动力学。
• 应用绝热模型估算理论通量跳跃场，并与实验值进行比较。
• 将特征场（H_irr, H_p, H_m）拟合至函数形式H_x(T) = H_x(0)(1 - T/T_c)^n，以提取临界指数并构建涡旋相图。

实验结果

研究问题

• RQ1 Ba₀.₆₅Na₀.₃₅Fe₂As₂的等温M(H)回线中，显著第二峰值（鱼尾效应）的成因是什么？
• RQ2 为何在低温下观察到通量跳跃，其行为如何依赖于磁场扫描速率与温度？
• RQ3 为何实验测得的首次通量跳跃场显著高于绝热模型的预测值？
• RQ4 在该材料中，导致高Jc（>10⁶ A/cm²）的主导涡旋钉扎机制是什么？
• RQ5 磁场-温度平面上的涡旋相图如何反映该超导体的稳定性与实际应用潜力？

主要发现

• 等温M(H)回线在接近Tc = 29.4 K的温度范围内均表现出显著的第二峰值（鱼尾效应）。
• 通量跳跃在低温下被观察到，且随磁场扫描速率减慢而显著抑制，首次通量跳跃场（H_fj）随之提高。
• 实验测得的H_fj显著高于绝热模型预测值，表明稳定性增强源于涡旋蠕变。
• 在2 K时，临界电流密度Jc超过10⁶ A/cm²，主要归因于密集微观点缺陷引起的集体（弱）钉扎。
• 磁弛豫数据支持集体钉扎模型，且M(H)中的第二峰值可能源于弹性蠕变向塑性蠕变动力学的过渡。
• 涡旋相图显示，涡旋液相被限制在狭窄区域内，而涡旋固相占主导地位，表明具有较高的实际稳定性。