[论文解读] Trapped magnetic flux in hydrogen-rich high-temperature superconductors

V. S. Minkov, Ksenofontov, V.+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2022

High-pressure geophysics and materials被引用 8

一句话总结

本文提出一种新颖的磁通 trapped flux 磁测量技术，用于在高压下检测富氢氢化物中的超导性，克服了传统电输运和磁化率方法的局限性。该方法实现了对 H3S 在约 155 GPa 压力下 Tc ~195 K、临界磁场、伦敦穿透深度（~37 nm）和临界电流密度的精确测定，相比标准方法具有更高的灵敏度和更低的背景噪声。

ABSTRACT

Recent discoveries of superconductivity in hydrogen-rich compounds stabilized by high pressures have shown that a critical temperature of superconductivity Tc can reach near room temperature values. The current studies focus on the search for new superconductors with higher Tcs to understand the ultimate limit of conventional superconductivity, and high-Tc superconductors at lower pressures. However, high pressure conditions put serious limitations on experimental studies. Electrical transport measurements have long been the primary experimental technique for reliable detection of superconductivity at high pressures, whereas magnetic susceptibility measurements continue to be a challenge. Here, we dramatically changed the protocol of magnetic measurements to probe the trapped magnetic flux. We tested this technique on samples of H3S and LaH10 and propose it for a routine examination of superconductivity at high pressures. Using the temperature- and magnetic field dependences of the trapped flux we estimated Tc ~195 K, a lower critical field ~0.36 T, an irreversibility field ~1.7 T, a full penetration field ~8.8 T, the London penetration depth ~37 nm, and critical current densities jc(T) in H3S at ~155 GPa in a wide temperature range. The trapped flux method is found to be sensitive to a particular phase in a mixture of superconducting phases: concomitant phases of sulfur and hydrogen-depleted LaHx were detected. In contrast to the Meissner state occurring at low external magnetic fields, a magnetic response from the trapped flux at zero applied magnetic field is in tens times stronger and is not contaminated by the magnetic background of a bulky diamond anvil cell. This technique can be a powerful tool for the screening of new superconducting materials, the study of multiphase, contaminated samples, or samples with a low superconducting fraction at ambient pressure too.

研究动机与目标

• 为解决传统磁化率测量在检测高压富氢氢化物中超导性时因实验复杂性和背景干扰导致的局限性。
• 开发一种稳健、常规的方法，用于在高压下识别复杂、多相或低含量样品中的超导相。
• 实现对富氢超导体中关键超导参数（如 Tc、临界磁场、穿透深度和临界电流密度）的精确测定。
• 展示该方法即使在混合物中也能对单个超导相实现灵敏检测，例如在 LaH10 中的硫和氢缺损相 LaHx。

提出的方法

• 该技术通过施加磁场使超导体中的磁通线对齐，随后移除外场以实现磁通的捕获，再在零外场条件下探测被捕获的磁通。
• 利用基于 SQUID 的磁强计测量捕获磁通产生的磁响应，其信号强度在低场下比迈斯纳效应强数十倍。
• 该方法采用立方砧压机与金刚石对顶砧相结合，对 H3S 和 LaH10 的高压样品进行原位测量。
• 通过将温度和磁场依赖的捕获磁通测量结果拟合至 Ginzburg-Landau 和伦敦理论，提取超导参数。
• 通过检测多相样品中不同超导相（如 H3S 和 LaHx）的显著磁响应，验证了该技术的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 捕获磁通测量能否作为传统磁化率测量的更灵敏、无背景的替代方法，用于检测高压氢化物中的超导性？
• RQ2 该捕获磁通方法在混合相体系（如氢缺损的 LaHx 和 H3S）中，对单个超导相的分辨能力如何？
• RQ3 在高压下 H3S 中关键超导参数——Tc、下临界场、不可逆场、穿透深度和临界电流密度——的定量值是多少？
• RQ4 与标准磁测量中的迈斯纳效应相比，捕获磁通信号在幅值和可靠性方面有何差异？

主要发现

• 在约 155 GPa 压力下，H3S 的临界温度 Tc 确定为约 195 K，与高温超导性一致。
• 下临界场 Hc1 估算为 ~0.36 T，不可逆场 Hinvar 为 ~1.7 T，表明存在强涡旋钉扎。
• 完全穿透场 Hc2 测量值为 ~8.8 T，与 II 类超导体一致，伦敦穿透深度约为 ~37 nm。
• 在 10 K 时，H3S 的临界电流密度 jc(T) 估算为约 10^6 A/cm²，表明其具有优异的载流能力。
• 捕获磁通方法成功检测到伴随存在的超导相，如硫和氢缺损的 LaHx，证明了在多相样品中对相特异性响应的灵敏度。
• 捕获磁通信号强度比迈斯纳效应强数十倍，且来自金刚石对顶砧的背景噪声极低，显著提升了测量灵敏度。