[论文解读] Magnetic evidence for hot superconductivity in multi-walled carbon nanotubes

Guo‐meng Zhao, Pieder Beeli|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2005

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 3被引用 3

一句话总结

本研究在高于室温的温度下，为多壁碳纳米管（MWNTs）中的超导性提供了磁学证据，观察到两个明显的相变：一个在533–700 K之间，归因于晶粒间约瑟夫森耦合，另一个接近1200 K。这些发现得到场依赖性相变、2%（直接测量）和14%（推断）的抗磁Meissner分数，以及高达700 K的持久剩磁化的支持，强烈表明这些准一维体系中存在高温超导性。

ABSTRACT

We report magnetic measurements up to 1200 K on three different multi-walled carbon nanotube mat samples using Quantum Design vibrating sample magnetometers. Three different samples prepared from arc discharge or chemical vapor deposition contain magnetic impurities ranging from about 100 ppm to about 1.5%. Our precise magnetic data clearly show two superconducting transitions, one at temperatures between 533 K and 700 K, and another at about 1200 K. The first transition temperature T_cJ, which coincides with the transition temperature seen in the resistance data, depends very strongly on the magnetic field, as expected from the onset of intergrain Josephson coupling in granular superconductors. The strong field dependence of T_cJ also excludes magnetic contaminants as the origin of the first transition. We also present direct and inferred diamagnetic Meissner fractions of 2 and 14%, respectively. The present results provide compelling evidence for superconductivity well above room temperature in multi-walled carbon nanotubes.

研究动机与目标

• 为多壁碳纳米管（MWNTs）在室温以上温度下的高温超导性提供确凿的磁学证据。
• 通过场依赖性测量，区分本征超导相变与磁性杂质的贡献。
• 通过抗磁响应、剩磁化和相变温度的场依赖性，验证颗粒状超导性的存在。
• 通过提供高精度、高温磁学测量数据，调和关于碳纳米管中室温超导性的相互矛盾报告。

提出的方法

• 使用Quantum Design振动样品磁强计（VSM）在高达1200 K的温度下对三种具有不同杂质水平的MWNT膜样品进行了磁学测量。
• 超低场操作（最低达0.03 Oe）使能够检测到Meissner效应产生的微弱抗磁信号。
• 分析了场冷（FC）和零场冷（ZFC）磁化率曲线，以识别超导相变和剩磁化。
• 在冷却和升温循环中测量了磁化率的温度依赖性，以检测磁滞现象和持久电流。
• 直接从Meissner效应计算抗磁分数，并通过ZFC与FC曲线的差异推断抗磁分数。
• 分析了晶粒间相变温度$T_{cJ}$的场依赖性，以确认约瑟夫森耦合并排除磁性杂质的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 1200 K以内的磁学测量能否为多壁碳纳米管中的超导性提供确凿证据？
• RQ2 在约700 K附近观察到的超导相变的起源是什么？其与磁场的关系如何？
• RQ3 所观察到的抗磁响应和剩磁化能否与磁性杂质的贡献区分开来？
• RQ4 接近1200 K的高温相变是否源于纳米管本征性质，还是由外在相引起？
• RQ5 这些磁学特征如何与以往关于碳纳米管的电阻率和光谱学数据相吻合？

主要发现

• 观察到两个明显的超导相变：一个在533–700 K之间，另一个接近1200 K，其中较低温相变与先前报道的电阻率相变一致。
• 晶粒间相变温度$T_{cJ}$表现出强烈的场依赖性，与颗粒状超导体中的约瑟夫森耦合一致，与磁性杂质的假设不一致。
• 在室温下直接测得2%的抗磁Meissner分数，超过轨道抗磁贡献至少两个数量级。
• 在室温下推断的抗磁分数为14%，表明存在显著的超导响应。
• 超导剩磁化持续至700 K，表明在该温度以下样品的部分区域处于零电阻态。
• 在330 K时测得纳米管的本征抗磁磁化率为$-2.5 \times 10^{-3}$ emu/g，相当于完整Meissner效应的约7%，证实了本征超导性。