平 成17年2月21日
異 方 性 の 小 さ い
Bi-2212超 伝 導 体 の 凝 縮 エ ネ ル ギー 密 度
00232012松 下 研 究 室 今 田 丈 貴
1. は じ め に Bi-2212超 伝 導 体 は 機 械 的 に 容 易 にc 軸 を 配 向 さ せ る こ と が 可 能 で あ り、 線 材 へ の 応 用 が 期 待 さ れ て い る。 し か し、 超 伝 導 体 に 電 気 抵 抗 ゼ ロ で 流 せ る 電 流 密 度 の 最 大 値 で あ る 臨 界 電 流 密 度Jc
が 高 温、 高 磁 界 で 小 さ い と い う 問 題 が あ る。 超 伝 導 体 内 で 電 気 抵 抗 が 発 生 す る 理 由 は、 磁 界 中 に お い て 超 伝 導 体 に 電 流 を 流 す と、 内 部 の 磁 束 にLorentz力 が 働 き、 こ の 力 に よっ て 量 子 化 磁 束 が 動 き、 誘 導 起 電 力 が 生 じ る 為 で あ る。 こ の 磁 束 線 の 動 き を 止 め る こ と に よ り 抵 抗 の 発 生 を 防 ぐ こ と が で き る。 磁 束 線 の 動 き を 止 め る 力 を ピ ン 力 と い い、 ピ ン 力 の 発 生 源 を ピ ン と い う。 ピ ン 力 の 強 さ は 凝 縮 エ ネ ル ギー 密 度
B 2
c
=2
0に よ り 決 定 さ れ、 こ のB2c
=2
0は 超 伝 導 体 の 次 元 性 の 影 響 を 強 く 受 け る。Bi-2212超 伝 導 体 は 絶 縁 的 な ブ ロッ ク 層 が 厚 く 異 方 性 が 高 い た め、 他 の 超 伝 導 体 に 比 べ て 凝 縮 エ ネ ル ギー 密 度Bc2
=2
0が か な り 低 い。 こ れ がBi-2212超 伝 導 体 のJcが 小 さ い 理 由 で あ る。
一 般 にJc特 性 の 向 上 の た め に は 強 い ピ ン を 高 濃 度 で 導 入 す る 必 要 が あ る が、 そ う し た こ と が 可 能 か ど う か を 判 断 す る 上 で、 凝 縮 エ ネ ル ギー 密 度 の 評 価 が 重 要 で あ る。
本 研 究 で は、 異 方 性 の 違 う6つ のBi-2212超 伝 導 試 料 に 重 イ オ ン を 照 射 し て 円 柱 状 欠 陥 を 導 入 し、
得 ら れ た 臨 界 電 流 密 度 か ら 円 柱 状 欠 陥 の ピ ン 力 を 予 想 し、 凝 縮 エ ネ ル ギー 密 度 を 評 価 し た。 そ れ に あ たっ て、 測 定 し た 臨 界 電 流 密 度 か ら 磁 束 ク リー プ に よっ て 劣 化 す る 以 前 の 仮 想 的 臨 界 電 流 密 度Jc0を 求 め る の に、 磁 束 ク リー プ 理 論 を 用 い た。 ま たJc0か ら 個々 の 円 柱 状 欠 陥 の ピ ン 力 を 求 め る の に 加 算 理 論 を 用 い た。 そ の 結 果 か らBc2
=2
0を 求 め、 超 伝 導 体 の 異 方 性 とB2
c
=2
0の 関 係 を 考 察 し た。 な お、 こ の よ う な 解 析 が 可 能 な の は 円 柱 状 欠 陥 の 場 合、 サ イ ズ や 数 密 度 が 分 か る か ら で あ る。
2. 実 験 試 料 はFZ法 に よ り 作 成 さ れ たBi-2212単 結 晶 を 用 い た。 酸 素 ドー プ の 条 件 を 変 え、 試 料A!
Fの 順 に ３ 次 元 的 な 超 伝 導 体 に し た(表 １ 参 照)。 試 料 のc軸 方 向 に 磁 界 を か け てSQUID磁 力 計 に よ り 直 流 磁 化 測 定 を 行 い、 観 測 さ れ た 磁 気 モー メ ン ト の ヒ ス テ リ シ ス の 大 き さ か らJcを 求 め た。 ま た、Jcが1:02107 A=m2に 減 少 す る 磁 界 で 不 可 逆 磁 界Biを 決 定 し た。。 通 常、 臨 界 電 流 密 度 は 磁 界 の 増 加 と 共 に 単 調 に 減 少 す る の に 対 し、 あ る 磁 界
B
pで ピー ク を も つ こ と が あ る。 こ れ を ピー ク 効 果 と い い、 異 方 性 パ ラ メー タ2
a
は す べ て の 試 料 で ピー ク 効 果 を 観 測 で き るT=Tc
=0.25に お け る ピー ク 磁 界
B
pと2a
=
0
=B
p s
2の 関 係 式1)か ら 評 価 し た。 た だ し、0は 磁 束 量 子、sは 超 伝 導 層 間 距 離(1.5nm)で あ る。a2が 小 さ い ほ ど3次 元 的 な 超 伝 導 体 で あ る こ と を 意 味 す る。
3. 結 果 お よ び 検 討 上 述 の 解 析 方 法 で 求 め た 各 試 料 のBc2
=2
0の 温 度 依 存 性 を 図 1に 示 す。 参 考 の た めBi-2212に 比 べ3次 元 性 の か な り 高 いY-123超 伝 導 体 の 実 験 結 果 と も 比 較 し た2)。
全 温 度 領 域 で、 異 方 性 が 小 さ く な る ほ どBc2
=2
0
は 大 き く なっ て い た。 ま たBi-2212のB2
c
=2
0は 高 温 領 域 でY-123よ り は る か に 小 さ い。 し か し、 低 温 に い く ほ どB2c
=2
0が 大 幅 に 増 加 し、T=Tc
=0:2でY-
123のBc2
=2
0に 近 い 値 を 得 た。 さ ら に 全 試 料 の 中 で 特 に 異 方 性 の 小 さ い 試 料E、Fに つ い て、Y-123 のB2
c
=2
0を 超 え る 結 果 が 得 ら れ た。 こ れ は 低 温 領 域 でBi-2212は 超 伝 導 特 性 が 良 く な る こ と を 示 唆 し て い る。 こ の こ と は 低 温 に お け るBi-2212超 伝 導 体 の 高 い ポ テ ン シャ ル を 示 す も の で あ る。 次 に、
B 2
c
=2
0とa2の 関 係 を 図2に 示 す。2aが 小 さ く な る ほ どB2
c
=2
0が 大 き く な る と い う 結 果 を 得 た。 こ の こ と よ り、 こ れ ま で の 予 想 が 定 性 的 に 正 し い こ と が 示 さ れ た。
表1. 各 試 料 の 諸 元
試 料 ドー プ 条 件 2
a
T
c
A ア ン ダー ドー プ 34800 87.0K
B 最 適 ドー プ 21800 88.9K
C 弱 い オー バー ドー プ 16100 84.6K
D 強 い オー バー ドー プ 8700 78.4K
E さ ら に 強 い オー バー ドー プ 4400 75.1K
F 強 い オー バー ドー プ 4400 74.2K
0.2 0.4 0.6 0.8
102 104 106 108
D
T / Tc Bc2/ 2 µ0(J/m3)
C B A Y−123
E F
図1 凝 縮 エ ネ ル ギー 密 度 の 温 度 依 存 性。
101 102 103 104 105
101 102 103 104 105 106 107 108
Bc2/ 2 µ0 (J/m3)
γa2 Y−123
D
B A T / Tc= 0.25
C E F
図2 T=Tc
=0:25に お け る 凝 縮 エ ネ ル ギー 密 度 と 異 方 性 パ ラ メー タ の 関 係。
【参 考 文 献】
1) V.M.Vinokuretal.;PhysicaC168(1990)29{39.
2) L. Civaleetal.;Phys.Rev.Lett.67(1991)648.
