[论文解读] On the fundamental definition of critical current in superconductors

E. F. Talantsev|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2017

Superconducting Materials and Applications参考文献 2被引用 10

一句话总结

本文提出，超导体临界电流（Ic）的更根本且可靠的定义标准，应为表面磁通密度（Bsurf）从非线性到线性的转变，而非传统的电场阈值（Ec = 1 μV/cm）。在2G高温超导带材上的实验表明，该Bsurf转变发生在Ic_surfB，比基于Ic_E的电场阈值低10–15%，从而通过识别一个物理上明确且可测量的转变点，解决了临界电流定义长期存在的模糊性问题。

ABSTRACT

Transport critical current, Ic, is usually defined in terms of a threshold electric field criterion, Ec, with the convention Ec = 1 microVolt/cm, chosen somewhat arbitrarily to provide "reasonably small" electric power dissipation in practical devices. Thus Ic is not fundamentally determined. However, recently it was shown, that the self-field critical current of thin-film superconductors is indeed a fundamental property governed only by the London penetration depth. Here we reconsider the definition of critical current and resolve the apparent contradiction. We measure the field distribution across the width of 2G high-Tc superconducting tapes as the transport current is increased to Ic. We identify a threshold current, Ic_surfB, at which two physical events occur simultaneously: (i) an abrupt crossover from non-linear to linear dependence of the local surface magnetic flux density, Bsurf, as a function of transport current measured at any point on the superconductor surface. This effect was not reported previously. (ii) the appearance of a non-zero electric field, just above of the sensitivity of measuring system. In the present examples Ic_surfB is 10-15% lower than Ic_E determined by the Ec criterion. We propose the transition of Bsurf(I) from non-linear to linear as the most reliable and more fundamental technique for measuring transport critical currents.

研究动机与目标

• 解决超导体中临界电流（Ic）基本定义的模糊性问题。
• 识别一个物理上明确、可测量的转变点，以定义Ic，而非依赖于任意的电场阈值。
• 证明随着传输电流增加，表面磁通密度（Bsurf）的响应可提供比传统方法更可靠、更根本的Ic判断标准。
• 质疑传统的Ec = 1 μV/cm标准为任意设定，缺乏超导物理的根本依据。

提出的方法

• 在逐渐增加的传输电流下，测量2G高温超导带材宽度方向上的空间磁场分布。
• 作为传输电流的函数，监测超导体表面不同位置的局部表面磁通密度（Bsurf）。
• 识别Bsurf(I)从非线性到线性依赖关系发生突变的电流点，定义为Ic_surfB。
• 同时使用高灵敏度测量系统检测非零电场的出现。
• 将Ic_surfB与基于传统Ec = 1 μV/cm阈值标准定义的Ic_E进行比较。
• 以伦敦穿透深度为理论基础，验证Bsurf转变的根本物理性质。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁响应中何种物理转变可作为比电场阈值更根本的临界电流定义？
• RQ2 为何传统的Ic_E标准（Ec = 1 μV/cm）无法代表超导体的根本物理特性？
• RQ3 在临界电流处，表面磁通密度（Bsurf）随传输电流的变化行为如何改变？
• RQ4 Bsurf(I)的转变能否作为更可靠且物理基础更坚实的Ic测量方法？
• RQ5 在实际2G高温超导带材中，基于Bsurf线性的Ic_surfB与基于Ec = 1 μV/cm的Ic_E之间存在多大的定量差异？

主要发现

• 表面磁通密度（Bsurf）对传输电流的非线性依赖关系向线性依赖关系的转变发生在Ic_surfB，该值比基于Ec = 1 μV/cm标准定义的Ic_E低10–15%。
• 该Bsurf转变是一种此前未报道的物理事件，与可检测电场的出现同步发生，表明超导行为发生了根本性变化。
• Bsurf(I)线性转变被确定为比任意设定的Ec阈值更可靠、更具物理基础的临界电流定义标准。
• 在薄膜超导体中，自场临界电流仅由伦敦穿透深度决定，这支持了Bsurf转变的物理基础。
• 该方法通过在宏观尺度上检测磁响应的显著可测量变化，实现了更精确且一致的Ic测定。
• 该结果解决了长期存在的矛盾：即经验定义的Ic_E与理论预期中Ic应为基本物理量之间的矛盾。