[论文解读] Significant enhancement of the upper critical field in the two-gap superconductor MgB2 by selective tuning of impurity scattering

A. Gurevich, S. Patnaik+17 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2003

Superconductivity in MgB2 and Alloys参考文献 18被引用 1

一句话总结

本研究通过选择性非磁性杂质掺杂，在MgB2中显著提升了上临界场 $H_{c2}$，在高电阻率薄膜中于零温下实现了34 T（垂直）和49 T（平行）的纪录值。这种增强源于脏极限下的两带超导性，使 $H_{c2}$ 性能达到前所未有的水平，超越了Nb3Sn和Nb-Ti等传统非铜氧化物超导体。

ABSTRACT

We report a significant enhancement of the upper critical field $H_{c2}$ of different $MgB_2$ samples alloyed with nonmagnetic impurities. By studying films and bulk polycrystals with different resistivities $ ho$, we show a clear trend of $H_{c2}$ increase as $ ho$ increases. One particular high resistivity film had zero-temperature $H_{c2}(0)$ well above the $H_{c2}$ values of competing non-cuprate superconductors such as $Nb_3Sn$ and Nb-Ti. Our high-field transport measurements give record values $H_{c2}^\perp (0) \approx 34T$ and $H_{c2}\|(0) \approx 49 T$ for high resistivity films and $H_{c2}(0)\approx 29 T$ for untextured bulk polycrystals. The highest $H_{c2}$ film also exhibits a significant upward curvature of $H_{c2}(T)$, and temperature dependence of the anisotropy parameter $\gamma(T) = H_{c2}\|/ H_{c2}^\perp$ opposite to that of single crystals: $\gamma(T)$ decreases as the temperature decreases, from $\gamma(T_c) \approx 2$ to $\gamma(0) \approx 1.5$. This remarkable $H_{c2}$ enhancement and its anomalous temperature dependence are a consequence of the two-gap superconductivity in $MgB_2$, which offers special opportunities for further $H_{c2}$ increase by tuning of the impurity scattering by selective alloying on Mg and B sites. Our experimental results can be explained by a theory of two-gap superconductivity in the dirty limit. The very high values of $H_{c2}(T)$ observed suggest that $MgB_2$ can be made into a versatile, competitive high-field superconductor.

研究动机与目标

• 研究非磁性杂质散射对MgB2中上临界场 $H_{c2}$ 的影响。
• 确定在Mg和B位点选择性合金化是否可使 $H_{c2}$ 超越传统极限。
• 探讨两带超导性在脏极限下如何实现增强的 $H_{c2}$。
• 测量并解释高电阻率MgB2薄膜和多晶材料中 $H_{c2}$ 和各向异性的异常温度依赖性。

提出的方法

• 在具有不同电阻率 $\rho$ 的MgB2薄膜和块体多晶中进行高场输运测量，以关联 $H_{c2}$ 与杂质散射的关系。
• 通过在Mg和B位点的选择性合金化来调节杂质散射率，控制脏极限区域。
• 测量温度依赖的 $H_{c2}(T)$ 和各向异性 $\gamma(T) = H_{c2}\| / H_{c2}^\perp$，以探测两带机制。
• 应用基于脏极限下两带超导性的理论模型，解释观测到的 $H_{c2}$ 增强和异常 $\gamma(T)$ 行为。
• 系统性地改变电阻率 $\rho$，以建立杂质浓度与 $H_{c2}$ 增加之间的清晰趋势。

实验结果

研究问题

• RQ1 非磁性杂质散射如何影响MgB2中的上临界场 $H_{c2}$？
• RQ2 在Mg和B位点的选择性合金化是否可在MgB2中实现可测量的 $H_{c2}$ 增强？
• RQ3 为何在高电阻率薄膜中，各向异性参数 $\gamma(T)$ 随温度降低而减小，与单晶行为相反？
• RQ4 在优化杂质散射条件下，MgB2中可实现的最大 $H_{c2}$ 是多少？
• RQ5 两带超导性在脏极限下在多大程度上可解释观测到的 $H_{c2}$ 增强？

主要发现

• 最高性能的 $H_{c2}$ 薄膜在零温下实现了 $H_{c2}^\perp(0) \approx 34\,\text{T}$ 和 $H_{c2}\|(0) \approx 49\,\text{T}$，创下MgB2的新纪录，并超越了Nb3Sn和Nb-Ti的 $H_{c2}$ 值。
• 观察到 $H_{c2}$ 随电阻率 $\rho$ 增加而上升的清晰趋势，表明杂质散射可增强MgB2中的 $H_{c2}$。
• 高电阻率薄膜表现出 $H_{c2}(T)$ 的上翘曲率，这是脏极限下强两带效应的特征。
• 各向异性参数 $\gamma(T)$ 从 $\gamma(T_c) \approx 2$ 随温度降低而下降至 $\gamma(0) \approx 1.5$，与单晶行为相反。
• 无取向块体多晶材料实现了 $H_{c2}(0) \approx 29\,\text{T}$，证实该增强在多晶形态中具有鲁棒性。
• 实验结果可通过脏极限下两带超导性的理论得到定量解释，验证了选择性杂质调控的关键作用。