MgB2的高壓效應研究

桑麗娜，李敏娟，張義邴，朱紅妹，李文獻，蔡傳兵,*

(1. 上海大學 材料科學與工程學院材料研究所，上海 200072；2. 上海大學 理學院物理系，上海市高溫超導重點實驗室，上海 200444)

0 引言

2001年具有超導轉變溫度Tc為39 K的MgB2超導的發現不但突破了傳統常規超導體微觀理論(BCS)預言的簡單金屬間化合物的超導轉變溫度極限(約24 K)，還具有許多“傳統”高溫超導材料不具備的超導特性。其相對較高的Tc、多能帶結構、無晶界弱連接問題以及低成本，很快引起了國際物理學界的廣泛關注。但是干凈的MgB2超導材料的磁通釘扎能力相對比較弱，在外加磁場時，電流密度(Jc)急劇下降，載流能力差。目前所知，化學摻雜、高能離子輻照或注入以及高壓已成為引入缺陷來提高Jc的三種主要方法。通過化學摻雜可增加磁通釘扎中心密度進而實現Jc的提高；高能離子輻照的處理同樣是引入點狀或柱狀缺陷等來增加釘扎密度。而過量的摻雜以及高劑量的輻照同時也在破壞樣品的超導電性，以致失超。由于前期我們組研究的Sr4V2O6Fe2As2[1]、NaFe0.97Co0.03As[2]和(Ba,K)Fe2As2[3]、Fe1-xCoxSe0.5Te0.5[4-5]等鐵基超導體的超導電性Tc在高壓效應下都得到了顯著提高[6-7]。而且高壓除了上述對Tc的影響之外，對于Jc和磁通釘扎的增強也具有很多的優點：1)減小晶格參數并縮小晶胞尺寸，降低各向異性；2)改善晶界的連接性，克服弱連接問題；3)通過增加缺陷引入更多釘扎中心，導致Jc進一步提高。為了研究高壓對MgB2的影響，以及其在壓力下的釘扎機制，本文做了詳細的實驗以及分析。

1 實驗方法

我們采用固相熔融法成功制備了MgB2塊材。首先，稱量高純度(Alfa Aesar，99.99%)Mg和B粉末，按化學計量混合，并在充滿氬氣保護的手套箱內將粉末充分研磨，然后將之壓制成圓片，在氬氣氣氛下進行燒結，以5 ℃/min的速度加熱到800 ℃并在該溫度下保持1 h，隨后冷卻至室溫，即可得到MgB2超導塊材。我們采用綜合物性測量系統(PPMS，Quantum Design)進行了不同溫度下的磁性測量。根據Bean臨界態模型計算臨界電流密度Jc，Jc= 20ΔM/a(1-a/3b)，其中a和b是垂直于外加磁場方向樣品的寬度和長度，ΔM是樣品MH磁滯回線升場和降場的磁化強度之差，單位emu/cm3。

2 實驗結果與討論

圖1(a)顯示了MgB2樣品的零場冷(ZFC)和場冷(FC)的磁化曲線M-T。樣品在壓力1.2 GPa下，Tc從37.5 K降到35.8 K。圖1(b)顯示了樣品在無壓力時不同溫度下的磁滯回線(M-H曲線)，我們可以很清晰地在低溫觀測到磁通跳躍現象，該現象主要是因為大電流或在高磁通密度梯度時發生。低溫下的磁化Jc比較大造成了洛倫茲力就比較大，而低溫下用于導熱的正常態電子相對比較少，磁通運動產生的熱量無法快速導熱出去，樣品局部溫度會持續上升，又會帶來磁通的進一步運動，進而表現出了磁通跳躍現象。隨著溫度的升高，這一現象會逐漸消失，如圖所示。根據Bean模型，得出不同壓力下的Jc。圖2(a-d)顯示了樣品在不同溫度和壓力下的Jc-B曲線，P= 0 GPa和1.2 GPa。在2 K時，樣品自場Jc從2.5 × 105A/cm2(0 GPa)降到1× 105A/cm2(1.2 GPa)，尤其是在高溫高場下下降更加明顯。

圖1 (a)MgB2不同壓力下零場冷和場冷的磁化曲線M-T；(b)MgB2不同溫度下的MH磁滯回線Fig. 1 (a) Temperature dependence of zero-field-cooled and field-cooled (ZFC and FC) moments at different pressures for MgB2; (b) M-H measurements of MgB2 sample at different temperatures

圖2 樣品分別在0 GPa和1.2 GPa壓力下(a)2 K；(b)10 K；(c)15 K；(d)20 K的Jc隨磁場的變化Fig. 2 Jc vs. field under different pressures at 2 K, 10 K, 15 K, and 20 K for MgB2

除了Jc的大幅降低，我們發現不可逆線Hirr在壓力下向低溫低場移動也非常顯著，如圖3所示。同時，根據磁化強度隨外加磁場的變化可以大致得出下臨界場Hc1，壓力同樣也導致了Hc1的降低。由金茲堡朗道理論定義的兩個參數：超導相干長度ξ和穿透深度λ，其與上臨界場和下臨界場的關系為：Hc1(T)=Φ0/4πλ(T)2、Hc2(T)=Φ0/2πξ(T)2，說明壓力效應增加了MgB2樣品的穿透深度和超導相干長度，即渦旋的半徑以及磁場的衰減長度增加，這與高壓對鐵基超導的影響完全不同，接下來我們來進一步探究高壓對MgB2釘扎機制的影響。

圖3 不同壓力下Hirr隨約化溫度變化的依賴關系Fig. 3 Hirr vs. T/Tc for MgB2 at 0 and 1.2 GPa

根據集體釘扎理論，外加磁場低于H*時，Jc幾乎不受影響，單磁通釘扎機制占主導。樣品中缺陷的分布和磁通線的相互作用會引起磁通線的釘扎。依據集體釘扎理論，有兩種主要的釘扎機制：δTc釘扎(Tc中的隨機分布空間變化)和δ釘扎(電荷載流子平均自由路徑中的空間變化)，說明單渦旋釘扎時，Jc顯示出與溫度有關的不同行為的釘扎機制。為了進一步研究樣品中的釘扎機制行為，我們對臨界電流密度做了進一步的分析[8-10]。

Hsb=JsvHc2

(1)

Jsv是單磁通釘扎區域的臨界電流密度，Hc2是上臨界磁場。在高磁場區域(即高于H*)，Jc(H)遵循下面的規律：

(2)

溫度和H*的關系可用下列公式表示：

(3)

v為2/3和2時分別代表δTc或者δ釘扎機制。約化溫度t=T/Tc。把公式(3)代入公式(1)，Jsv分別遵循以下規律[8-9]：

δ釘扎:Jsv(t)/Jc(0) = (1-t2)5/2(1+t2)-1/2

(4)

δTc釘扎:Jsv(t)/Jc(0) = (1-t2)7/6(1+t2)-6/5

(5)

圖4(b)的結果顯示壓力改變了MgB2的釘扎機制，由原先的δTc釘扎轉變為δ釘扎。MgB2多晶塊體、薄膜和單晶中主要的釘扎機制通常是δTc釘扎占主導。我們知道超導的相干長度與載流子的平均自由程成正比。因此，壓力增強了MgB2中的平均自由程的釘扎，這也說明了壓力降低了MgB2的臨界電流的原因。

圖4 (a)15 K時在0 GPa和1.2 GPa下Jc隨磁場的變化以及H*的獲得；(b)H*(T)/H*(0)與約化溫度t = T/Tc的依賴關系Fig. 4 Jc vs. field at 15 K for MgB2, H*, were obtained from the experimental Jc(B) curves; (b) Normalized measured H*(T)/H(0) vs. t = T/Tc under different pressures for MgB2 sample

另外，我們還研究了釘扎力密度FP=Jc×B。根據Dew-Hughes釘扎模型，由公式fp∝hp(1-h)q進行擬合(h=H/Hirr)，不同的p、q值代表不同的釘扎機制。p= 1，q= 2代表點釘扎機制，而p= 1/2，q= 2代表面釘扎類型，結果如圖5所示，無論壓力大小，MgB2樣品中的主要釘扎來自于面釘扎。

圖5 溫度15 K和20 K時在0 GPa和1.2 GPa下的約化釘扎力fp = Fp/Fpmax與約化磁場h= H/Hirr的依賴關系Fig. 5 Plots of the normalized pinning force (fp = Fp/Fp,max) vs. h = H/Hirr for MgB2 sample at 0 and 1.2 GPa, in good agreement with surface pinning

通過磁弛豫的測量，即磁化強度M隨時間t的變化關系，可以得到表征磁通蠕動快慢的弛豫率S，S= |dlnM/dlnt| (其中t是時間)[11]，還能得出釘扎能U0。圖6(a)(b)是在1 T時0 GPa和1.2 GPa壓力下不同溫度的磁化強度M與時間t的雙對數變化曲線。

為了進一步探索磁通釘扎渦旋的運動，我們采用擴展的梅列方法[12-13]，激活能如下所示：

U=-Tln[dJ(t)/dt]+CT

(6)

C是擬合參數，C=ln(Bωa/2πR)，ω是渦旋跳躍的頻率，R是樣品的半徑，a是跳躍間距[14-16]。為了獲得U對J的平滑依賴性，我們使用U/G(T)比例關系來描述釘扎能的變化，G(T)=[1-(T/Tc)2]1.5[17]。在圖6(c)中，我們觀察到所有的曲線可以很好地縮放在一起。指數μ是一個關鍵參數，表征了磁通格子的維數和磁通束的大小[18]，當μ= 1/7，5/2，7/9時分別對應于單渦旋蠕動、小磁通束、大磁通束尺寸的釘扎[8,11,19]。

圖6 MgB2在1 T不同溫度下磁化強度M與時間t的雙對數依賴關系(a)0 GPa 和(b)1.2 GPa；(c)P = 0 GPa和P = 1.2 GPa時，使用Maley分析確定的釘扎能在1 T時隨臨界電流密度的變化，實線是倒冪函數模型U(J)=U0[(Jc0/J)μ-1]的擬合Fig. 6 Time dependence of magnetization during 1 h at different temperature with H=1 T, (a) 0 GPa, (b) 1.2 GPa. (c) Current density dependence of the activation energy of the MgB2 sample with and without pressure: at 1 T, as determined using the Maley analysis. The solid lines are fits of the data to the inverse power-law form (J)=U0[(Jc0/J)μ-1]

根據Maley方法，在0 GPa和1.2 GPa時，1 T下擬合的μ值分別為0.55和0.6，表明MgB2樣品里的渦旋蠕動尺寸主要是大磁通束尺寸的磁通釘扎。綜上所述，壓力加快了磁通的蠕動，降低了有效釘扎能和臨界電流密度，磁通束尺寸的大小變化不大。

3 結論

研究了高壓對MgB2塊材超導的Tc、Jc、Hirr以及釘扎機制的影響。結果顯示高壓降低了樣品的Tc、Jc以及不可逆場Hirr。壓力使樣品中Tc隨機分布空間變化的δTc釘扎轉變為了電荷載流子平均自由路徑中空間變化的δ釘扎。壓力還會增加各向異性，同時導致相干長度和平均自由程的增加。通過磁弛豫的測量，結果顯示壓力加快了磁通的蠕動，降低了有效釘扎能和臨界電流密度，磁通束尺寸的大小變化不大。