鉄系高温超伝導体を用いた無冷媒高磁場強度バルク磁石の開発

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H02179
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 永崎 洋 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 首席研究員 (20242018)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 伊豫 彰 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 上級主任研究員 (50356523) ; 荻野 拓 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (70359545) ; 石田 茂之 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (90738064)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 高温超伝導体 / 鉄系超伝導体 / バルク / 臨界電流密度

Outline of Annual Research Achievements

２０１９年度は、申請者がこれまで培ってきた多結晶試料合成技術を活用・発展させることにより、良好な超伝導特性と機械的特性を有するCaKFe2As2多結晶バルク試料の合成プロセスを確立した。具体的には、前駆体（CaAs, Ca3As, KAs, Fe2As, FeAs等）の組み合わせと合成温度の最適化を行うことで良質の粉末試料を合成し、さらに、粉末試料のバルク体焼結加工に当たっては、高密度化に有効であると考えられる放電プラズマ焼結（Spark Plasma Sintering, SPS）法によってバルク焼結体を作製した。同手法で得られたバルク試料（SPSバルク）の密度は5.02g/cm3と高く、CaKFe4As4の理論密度の96.2%に相当する。SPSバルクの超伝導転移温度(Tc)は35.6Kであり、通常得られる多結晶試料のTc（34.3K)よりも高いことが確認された。SPSバルクの電気抵抗率は通常のバルク試料と比較して約1桁小さく、結晶粒の接続性が向上していることが示された。磁化ヒステリシスループから計算したSPSバルクの臨界電流密度(Jc)は、4.2K、5Tで1.8×104A/cm2に達し、これまでに報告された鉄系超伝導バルクの磁気的Jcの中で最も高い値であった。また、出発原料にスズ（Sn)を添加することで、多結晶試料の合成温度を通常よりも１００℃近く下げられることも見出した。また、現有の超伝導マグネットと無冷媒クライオスタット、三次元磁場分布測定装置を組み合わせて、5Tまでの静磁場で磁束を印加した後に20Kにおいて捕捉磁場の空間分布が測定可能な走査型ホール素子顕微鏡システムを構築した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

SPS法を用いて高Tcかつ高密度なCaKFe4As4バルク試料の作製に成功を収めた。同試料のJcはこれまでに鉄系高温超伝導体で報告されている最高値を示しており、同試料を用いた無冷媒バルク磁石開発における大きなマイルストーンと考えられる。また、測定面においては、走査型ホール顕微鏡測定システムの構築が行われ、今後の試料特性評価が効率よく行われると期待される。

Strategy for Future Research Activity

バルク試料の大型化、および、Sn添加による合成温度のさらなる最適化を進める。並行して、走査型ホール顕微鏡を用いて、これまでに作成された試料のJcの空間分布を評価し、Jc向上への指針を得るとともに、プロトタイプ磁石の作製とその評価を開始する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] TU Wien(オーストリア)
  • Country Name: AUSTRIA
  • Counterpart Institution: TU Wien
• [Presentation] Characteristics and potential of application for 1144-type iron pnictide superconductors (2020)
  • Author(s): H. Ogino, S. Ishida, Sugali P.K.N., Y. Kamiya, K. Kawashima, A. Iyo, H. Eisaki
  • Organizer: International Workshop on the Iron-based Superconductors(IBS2app)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Unique vortex pinning properties in iron-based superconductors (2020)
  • Author(s): S. Ishida, A. Iyo, H. Ogino, N. Takeshita, H. Eisaki, K. Kawashima, K. Yanagisawa, Y. Kobayashi, K. Kimoto, H. Abe, M. Imai, J. Shimoyama, D. Kagerbauer, S. Holleis, M. Eisterer
  • Organizer: 10th ACASC/2nd Asian-ICMC/CSSJ Joint Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Superconducting properties of 1144-type iron pnictide superconductors (2019)
  • Author(s): H. Ogino, S. Ishida, Sugali P.K.N., Y. Kamiya, K. Kawashima, A. Iyo, H. Eisaki
  • Organizer: Materials Research Meeting 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Unique defect structure and advantageous vortex pinning properties in CaKFe4As4 (2019)
  • Author(s): S. Ishida, A. Iyo, H. Ogino, H. Eisaki, N. Takeshita, K. Kawashima, K. Yanagisawa, Y. Kobayashi, K. Kimoto, H. Abe, M. Imai, J. Shimoyama, M. Eisterer
  • Organizer: 32nd International Symposium on Superconductivity (ISS2019)
  • Int'l Joint Research / Invited