走査SQUID顕微鏡を用いた超伝導線材内部の 電流分布の可視化

走査 SQUID 顕微鏡を用いた超伝導線材内部の 電流分布の可視化

九州大学大学院システム情報科学府

○中村 知也、井上 昌睦 、木須 隆暢 、今村 和孝、竹尾 正勝 超伝導工学研究所

衣斐 顕、山田 穣、塩原 融

謝辞：本研究は超電導応用基盤技術研究開発の一環として、ISTECを通じて

NEDOからの委託を受けて実施すると共に、文部科学省の科研費(17760255）の助 成を得て行ったものである。

臨界電流密度 J

_c

の向上が重要な課題 YBCO 線材の実用化

•弱結合、欠陥等がランダムに存在し 電流 がパーコレーション的に流れる

• 非線形な E-J 特性を持つため欠陥近傍 に著しい電界集中

局所的な電流密度分布を評価することが重要

超伝導特性の不均一性 が臨界電流特性を制限

はじめに

局所電流評価

(磁気イメージング)

・高空間分解能、高感度

・定量的測定

欠陥のサイズは数ミクロン〜数百ミクロン 組織観察

TEM, SEM

低温走査レーザ顕微鏡 LTSLM

局所損失評価

走査 SQUID 磁気顕微鏡

走査 SQUID 顕微鏡を用いて局所的な電流分布を評価

はじめに

DMM Current

source XYZ-stage

controller SQUID controller

RP LHe

PC

Temperature

controller

・

SQUIDセンサーは

常に約4K

・サンプルはヒーター により 4K~100Kの 温調が可能

SQUIDセンサ

ピックアップコイル 10 µ m

センサ

3mm

走査 SQUID 顕微鏡システム、 SQUID センサー

基板

単結晶基板

YBCO 成膜法

^PLD法

垂直欠陥の長さ

40µm、

ブリッジ幅

100µm

100µm 40µm

10µm

10µm

試料緒元

均一なYBCO薄膜

電流密度分布の定量性の検証

-80 [uT]85

8.3[mA] 89.0[K]

Defect=40µm

B_z(x, y) 2D Fourier Transform b(k_x, k_y)

b: 2D Fourier transform of B_z k: wave vector

µ₀: permeability of vacuum, i : imaginary unit.

z₀: lift-off distance

0

0

( , ) 2 ( , )

kz

x x y y x y

j k k i e k b k k µ k

= −

0

0

( , ) 2 ( , )

kz

y x y x x y

j k k i e k b k k µ k

=

Inverse Fourier Transform

Sheet current vector: J_x(x, y), J_y(x, y) 0

[A/m]165

80 40 20µm

電流密度分布 変換

榊? ? を? 並 自己磁場分布

自己磁場分布、電流密度分布

電流密度分布の理論解析との比較

I

_B

=8.3mA

x

x x

y

0 0.5 1 1.5 2

-100 -50 0 50 100

J/J 0

y[µm]

IB=8.3mA IB=6.6mA IB=5.6mA IB=4.0mA Theory

0 50 100 150 200

-20 0 20 40 60 80 100 120 Defect=40µm Defect=10µm Defect=0m Theory

Sheet current density J[A/m]

x[µm]

20 40 60 80 100 120 140 160

-100 -50 0 50 100

IB=8.3mA IB=6.6mA IB=5.6mA IB=4.0mA theory

Sheet current density J[A/m]

y[µm]

走査 SQUID 顕微鏡で電流分布を定量的に評価することができる

YBCO Gd₂Zr₂O₇ CeO₂

Hastelloy

PLD法 YBCO成膜法

Gd₂Zr₂O₇, CeO₂ 中間層、キャップ層

IBAD法 基板作製法

0.3µm YBCO膜の厚さ

光学顕微鏡写真

試料緒元

100µm

1mm

YBCO/IBAD 線材内の電流分布評価

‑20 0 20 40 60 80 100 120 140

1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0

V [µV]

I [mA]

I_B=2.0[mA]

I_B=4.0[mA]

I_B=5.0[mA]

62

-62 [µT]

0

T=87. 4 [K]

Percolate

YBCO/IBAD 線材内の自己磁界分布

50 60

20 110

0 40 [A/m]

I_B= 5.0[mA]

I_B= 4.0[mA]

I_B=2.0[mA]

・ 最も早く自己磁界のパーコレーションが観測される箇所で 電流が強く集中し、平均電流の 2 倍以上の電流が流れている

・ 電流密度分布が高空間分解能で得られている

YBCO/IBAD 線材内の電流密度分布

E-J の n 乗則により電流パターンが同じになっている

同じ n 値であれば任意の印加電流の電流密度分布を得られる 89.0[K]

0 0.5 1 1.5 2

-100 -50 0 50 100

J/J 0

y[µm]

IB=8.3mA IB=6.6mA IB=5.6mA IB=4.0mA Theory

均一なYBCO薄膜

0 2.1

1

I_B= 5.0[mA]

I_B= 4.0[mA]

I_B=2.0[mA]

規格化した電流パターン J

_x(x,y)

/J

₀

A C B

0 2.1 1

A B C

10^-8 10^-7 10^-6 10^-5 10^-4

2 10⁹ 4 10⁹ 6 10⁹ 8 10⁹ 10¹⁰

Voltage Response V [V]

Current Density J [A/m²] 10^-8

10^-7 10^-6 10^-5 10^-4

2 10⁹ 4 10⁹ 6 10⁹ 8 10⁹ 10¹⁰ A B C

Voltage Response V [V]

Current Density J [A/m²]

電流密度分布と損失分布両方を考慮して特性を評価 すると真の局所特性を得ることが出来る

7.0E-6 0

Voltage Response [V]

電流密度分布

損失分布 印加電流5点

局所 I-V 特性

走査 SQUID 顕微鏡を用いて YBCO/IBAD 線材内の電流分布の評価を行った

電流密度分布が高空間分解能で得られた

磁界パーコレーション近傍では平均電流の２倍以上の電流が流れている

同じ n 値であれば任意の印加電流の電流密度分布を得られる

レーザー走査顕微鏡による損失分布測定の結果との複合的な評価手法 により真の局所特性が得られる

まとめ