ニホウ化マグネシウム超伝導体における磁束ピンニング機構の解明と実用化基盤研究

二硼化镁超导体磁通钉扎机制的阐明及实际应用的基础研究

• 批准号: 05J11910
• 负责人: 山本 明保
• 金额: $ 1.73万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2005
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2005 至 2007
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-05J11910/
• 关键词: 超電導; 金属系超伝導体; MgB2(ニホウ化マグネシウム); 磁束ピンニング機構; 臨界電流特性; 多結晶バルク体; コネクティビティ; パーコレーションモデル; 超伝導; MgB_2(二ホウ化マグネシウム); 元素置換

実用化に向けて研究開発の進んでいる二ホウ化マグネシウム(MgB2)超伝導体の基礎特性の解明、及び超伝導応用の際に重要な特性パラメータである臨界電流密度の制限機構の解明を目指し研究を行った。本年度の研究結果を以下に箇条書きに記す。(1)常伝導状態における電流制限機構の評価MgB2多結晶体における電気伝導度の抑制の原因を探るため、MgB2粒表面を覆う酸化物絶縁体と空隙の影響を考慮したパーコレーション問題を九州工業大学の松下照男教授と共同で検討した。同等の超伝導特牲と粒間結合を有し、充填密度のみを変化させた一連の試料を解析した結果、MgB2の伝導機構は平均場理論をサイト・パーコレーション系に拡張したモデルにより記述できることが明らかになった。この解析によりMgB2のコネクティビティ(有効伝導度)の制限因子を個別に定量評価できるようになり、MgB2粒の表面の約30%は絶縁酸化膜に覆われ、典型的なMgB2バルク、線材のコネクティビティはわずか10%以下であることを明らかにした。(2)MgB2の臨界電流密度の支配因子の評価コネクティビティの影響を除外した真の残留抵抗値から電子平均自由行程や不純物パラメータ等を理論的に導出し、MgB2のピンニング機構の解析を行った。試料間のピンニングカの違い、及び電子顕微鏡観察から得られた粒径を考慮した臨界電流密度はコネクティビティと相関し、MgB2の支配的なピンニング機構が粒界電子散乱であり、臨界電流密度の決定因子がコネクティビティと粒界ピンの2つであることを明らかにし、それぞれの寄与を定量的に示した。(3)残留磁化法による粒内臨界電流密度の評価残留磁化法によりコネクティビティを評価する研究を米国立強磁場研究所のLarbalestier教授と共同で行った。Beanの臨界状態モデルを元に、一般的に多結晶超伝導材料の残留磁化特性を解析する理論モデルを考え、残留磁気モーメントが飽和する磁場(飽和印加磁場)から粒内に局在化して流れる粒内臨界電流と、試料全体を流れる粒間臨界電流のそれぞれを導出するモデルを開発することに成功した。MgB2多結晶体に対する解析においては、粒内を流れる局所電流と粒界を流れるマクロ電流による磁化を独立に測定することに成功し、粒内臨界電流密度、粒間臨界電流密度とその比で与えられるコネクティビティを求め、局所的には極めて高い臨界電流密度を持つ超伝導電流がMgB2多結晶体内を流れていることを見出した。コネクティビティの影響を除外した真の残留抵抗値から電子平均自由行程や不純物パラメータ等を理論的に導出し、MgB2のピンニング機構の解析を行った。試料間のピンニングカの違い、及び電子顕微鏡観察から得られた粒径を考慮した臨界電流密度はコネクティビティと相関し、MgB2の支配的なピンニング機構が粒界電子散乱であり、臨界電流密度の決定因子がコネクティビティと粒界ピンの2つであることを明らかにし、それぞれの寄与を定量的に示した。(3)残留磁化法による粒内臨界電流密度の評価残留磁化法によりコネクティビティを評価する研究を米国立強磁場研究所のLarbalestier教授と共同で行った。Beanの臨界状態モデルを元に、一般的に多結晶超伝導材料の残留磁化特性を解析する理論モデルを考え、残留磁気モーメントが飽和する磁場(飽和印加磁場)から粒内に局在化して流れる粒内臨界電流と、試料全体を流れる粒間臨界電流のそれぞれを導出するモデルを開発することに成功した。MgB2多結晶体に対する解析においては、粒内を流れる局所電流と粒界を流れるマクロ電流による磁化を独立に測定することに成功し、粒内臨界電流密度、粒間臨界電流密度とその比で与えられるコネクティビティを求め、局所的には極めて高い臨界電流密度を持つ超伝導電流がMgB2多結晶体内を流れていることを見出した。

我们的目标是阐明二硼化镁（MgB2）超导体的基本性质，并阐明临界电流密度的限制机制，临界电流密度是超导应用中的一个重要特征参数。今年的研究成果如下。 (1)正常导通状态下的限流机制评估为了探究MgB2多晶导电性受到抑制的原因，我们提出了一个考虑了氧化物绝缘体和覆盖MgB2晶粒表面的空隙的影响的渗流问题。这项研究是与松下辉男教授共同进行的。通过分析一系列具有等效超导特性和晶间键合但仅改变堆积密度的样品，我们发现 MgB2 的传导机制可以通过将平均场理论扩展到位点渗流系统的模型来描述。事情变得很清楚了。该分析使得可以单独定量评估 MgB2 连通性（有效电导率）的限制因素，大约 30% 的 MgB2 颗粒表面覆盖有绝缘氧化膜，并且揭示了典型的 MgB2 块状和线状连通性。低于10%。 (2)MgB2临界电流密度控制因素的评估从排除连通性影响的真实残余电阻值中理论上推导了电子平均自由程、杂质参数等，并分析了MgB2的钉扎机制。临界电流密度考虑了样品之间的钉扎力差异和电子显微镜获得的晶粒尺寸，与连通性相关，MgB2的主要钉扎机制是晶界电子散射，这是临界电流密度的决定因素结果表明，有两个因素：连通性和晶界引脚，并且定量地显示了每个因素的贡献。 (3) 利用剩磁法评价晶粒内临界电流密度 我们与国立强磁场研究所的Larbalestier教授合作，进行了利用剩磁法评价连通性的研究。基于Bean的临界状态模型，我们考虑了一个一般分析多晶超导材料剩磁特性的理论模型，剩磁矩从饱和磁场（饱和外加磁场We）在晶粒内局部流动。成功开发了一个模型，可以导出流过整个样品的晶内临界电流和晶间临界电流。在MgB2多晶材料的分析中，我们成功地独立测量了晶粒内流动的局部电流和流过晶界的宏观电流所产生的磁化强度，并通过晶内临界电流密度、晶间临界电流密度计算了磁化强度，以及它们的比率。我们发现，具有局部极高临界电流密度的超导电流在 MgB2 多晶内流动。从排除连通性影响的真实残余电阻值理论上推导了电子平均自由程、杂质参数等，并分析了MgB2的钉扎机制。临界电流密度考虑了样品之间的钉扎力差异和电子显微镜获得的晶粒尺寸，与连通性相关，MgB2的主要钉扎机制是晶界电子散射，这是临界电流密度的决定因素结果表明，有两个因素：连通性和晶界引脚，并且定量地显示了每个因素的贡献。 (3) 利用剩磁法评价晶粒内临界电流密度 我们与国立强磁场研究所的Larbalestier教授合作，进行了利用剩磁法评价连通性的研究。基于Bean的临界状态模型，我们考虑了一个一般分析多晶超导材料剩磁特性的理论模型，剩磁矩从饱和磁场（饱和外加磁场We）在晶粒内局部流动。成功开发了一个模型，可以导出流过整个样品的晶内临界电流和晶间临界电流。在MgB2多晶材料的分析中，我们成功地独立测量了晶粒内流动的局部电流和流过晶界的宏观电流所产生的磁化强度，并通过晶内临界电流密度、晶间临界电流密度计算了磁化强度，以及它们的比率。我们发现，具有局部极高临界电流密度的超导电流在 MgB2 多晶内流动。

项目成果

Magneto-Optical Studies on Polycrystalline MgB2 Bulks Manufactured by Different Processes

不同工艺制造的多晶 MgB2 块体的磁光研究

• 发表时间: 2007
• 期刊: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 17
• 作者: A.Polyanskii;A.Yamamoto;I.Iwayama;J.Shimoyama;K.Kishio and D.Larbalestier
• 通讯作者: K.Kishio and D.Larbalestier

Reactivity of carbides in synthesis of MgB2 bulks

• DOI: 10.1016/j.physc.2006.05.030
• 发表时间: 2006-10
• 期刊: Physica C-superconductivity and Its Applications
• 影响因子: 1.7
• 作者: A. Yamamoto;J. Shimoyama;S. Ueda;S. Horii;K. Kishio

Limiting Mechanism of Normal-State Connectivity in Polycrystalline MgB2

多晶MgB2常态连通性的限制机制

• 发表时间: 2008
• 作者: A.Yamamoto;J.Shimoyama;S.Ueda;I.Iwayama;Y.Katsura;S.Horii;K.Kishio;A.Yamamoto
• 通讯作者: A.Yamamoto

MgB2多結晶体における電気的結合度と臨界軍流密度の制限機構1の評価(1)-パーコレーションモデルによる電気的結合度の解析

MgB2多晶电连通性和临界电流密度的限制机制1的评价(1)——使用渗流模型分析电连通性

• 发表时间: 2007
• 作者: A.Yamamoto;J.Shimoyama;S.Ueda;I.Iwayama;Y.Katsura;S.Horii;K.Kishio;A.Yamamoto;山本 明保;A.Yamamoto;A.Yamamoto;A.Yamamoto;山本 明保;山本 明保
• 通讯作者: 山本 明保

Effects of rare earth doping on the superconducting properties of MgB2

• DOI: 10.1016/j.physc.2007.04.250
• 发表时间: 2007-10-01
• 期刊: PHYSICA C-SUPERCONDUCTIVITY AND ITS APPLICATIONS
• 影响因子: 1.7
• 作者: Katsura, Y.;Shimoyama, J.;Kishio, K.
• 通讯作者: Kishio, K.