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

• 研究課題/領域番号: 05J11910
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 金属物性
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 山本 明保 東京大学, 大学院・工学系研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2005 – 2007
• 研究課題ステータス: 完了 (2007年度)
• 配分額: 2,700千円 (直接経費: 2,700千円); 2007年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2006年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2005年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
• キーワード: 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

研究概要

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。

研究成果

• [雑誌論文] Essential Factors for the Critical Current Density in Superconducting MgB2 Connectivity and Flux Pinning by Grain Boundaries (2008)
  • 著者名/発表者名: T.Matsushita, M.Kiuchi, A.Yamamoto, J.Shimoyama and K.Kishio
  • 雑誌名: Superconductor Science & Technology 21 ページ: 8-15
  • 査読あり
• [雑誌論文] Limiting Factors of Normal-state Conductivity in Superconducting MgB2:an Application of Mean-field Theory for a Site Percolation Problem (2007)
  • 著者名/発表者名: A.Yamamoto, J.Shimoyama, K.Kishio and T.Matsushita
  • 雑誌名: Superconductor Science & Technology 20 ページ: 658-666
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magneto-Optical Studies on Polycrystalline MgB2 Bulks Manufactured by Different Processes (2007)
  • 著者名/発表者名: A.Polyanskii, A.Yamamoto, I.Iwayama, J.Shimoyama, K.Kishio and D.Larbalestier
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 17 ページ: 2746-2749
  • 査読あり
• [雑誌論文] Flux Pinning Properties of Undoped and C-Doped MgB2 Bulks with Controlled Grain Sizes (2007)
  • 著者名/発表者名: Y.Katsura, A.Yamamoto, I.Iwayama, S.Horii, J.Shimoyama and K.Kishio
  • 雑誌名: Physica C-Superconductivity and Its Applications 460 ページ: 572-573
  • 査読あり
• [雑誌論文] Jc Enhancement of High Density MgB2 Bulk Made by Premix-PICT-Diffusion Method (2007)
  • 著者名/発表者名: I.Iwayama, S.Ueda, A.Yamamoto, Y.Katsura, J.Shimoyama, S.Horii and K.Kishio
  • 雑誌名: Physica C-Superconductivity and Its Applications 460 ページ: 581-582
  • 査読あり
• [雑誌論文] Influence of Dopant Particle Size on the Critical Current Properties and Microstructures of MgB2 Bulks Doped with TiC and SiC (2007)
  • 著者名/発表者名: A.Yamamoto, J.Shimoyama, I.Iwayama, Y.Katsura, S.Horii and K.Kishio
  • 雑誌名: Physica C-Superconductivity and Its Applications 463 ページ: 807-811
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of Rare Earth Doping on the Superconducting Properties of MgB2 (2007)
  • 著者名/発表者名: Y.Katsura, J.Shimoyama, A.Yamamoto, S.Horii and K.Kishio
  • 雑誌名: Physica C-Superconductivity and Its Applications 463 ページ: 225-228
  • 査読あり
• [雑誌論文] How to Improve Critical Current Properties of Bi2223 and MgB2 Tapes (2007)
  • 著者名/発表者名: J.Shimoyama, A.Tanimoto, T.Makise, A.Yamamoto, Y.Katsura, I.Iwayama, S.Horii, T.Kato, S.Kobayashi, K.Yamazaki, K.Hayashi, K.Sato and K.Kishio
  • 雑誌名: Physica C-Superconductivity and Its Applications 463 ページ: 802-806
  • 査読あり
• [雑誌論文] Catalytic Effect of Silver Addition on the Low Temperature Phase Formation of MgB2 (2007)
  • 著者名/発表者名: J.Shimoyama, H.Hanafusa, A.Yamamoto, Y.Katsura, S.Horii, K.Kishio, K.Kamakura
  • 雑誌名: Superconductor science ＆ Technology Vol.20(4) ページ: 307-311
• [雑誌論文] Strong Relationship between Irreversibility Field and Crystallinity Discovered in Undoped and Carbon Substituted MgB2 Bulks (2006)
  • 著者名/発表者名: A.Yamamoto, J.Shimoyama, S.Ueda, I.Iwayama, Y.Katsura, S.Horii, K.Kishio
  • 雑誌名: Journal of Physics : Conference Series Vol.43 ページ: 111-114
• [雑誌論文] Improved Critical Current Properties of MgB2 Bulks by Controlling Microstructures (2006)
  • 著者名/発表者名: Y.Katsura, A.Yamamoto, I.Iwayama, S.Ueda, J.Shimoyama, S.Horii, K.Kishio
  • 雑誌名: Journal of Physics : Conference Series Vol.43 ページ: 119-122
• [雑誌論文] Doping Effects of TiC and Mo2C on Critical Current Properties of MgB2 Tapes (2006)
  • 著者名/発表者名: A.Yamamoto, J.Shimoyama, S.Ueda, S.Horii, K.Kishio
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Vol.16(2) ページ: 1411-1414
• [雑誌論文] Critical Current Characteristics in MgB2 Bulks (2006)
  • 著者名/発表者名: M.Kiuchi, K.Kimura, H.Honda, T.Matsushita, A.Yamamoto, J.Shimoyama, K.Kishio
  • 雑誌名: Physica C-Superconductivity and Its Applications Vol.445 ページ: 474-477
• [雑誌論文] Reactivity of Carbides in Synthesis of MgB2 Bulks (2006)
  • 著者名/発表者名: A.Yamamoto, J.Shimoyama, S.Ueda, Y.Katsura, I.Iwayama, S.Horii, K.Kishio
  • 雑誌名: Physica C-Superconductivity and Its Applications Vol.445 ページ: 801-805
• [雑誌論文] Crystallinity and Flux Pinning Properties of MgB2 Bulks (2006)
  • 著者名/発表者名: A.Yamamoto, J.Shimoyama, S.Ueda, Y.Katsura, I.Iwayama, S.Horii, K.Kishio
  • 雑誌名: Physica C-Superconductivity and Its Applications Vol.445 ページ: 806-810
• [雑誌論文] MgB2超伝導体の臨界電流特性における炭素置換効果 (2006)
  • 著者名/発表者名: 山本明保, 下山淳一, 岩山功, 桂ゆかり, 堀井滋, 岸尾光二
  • 雑誌名: 低温工学 Vol.41(11) ページ: 489-496
• [雑誌論文] In-situ法MgB2バルクの粒径支配因子と粒界ピンニング (2006)
  • 著者名/発表者名: 桂ゆかり, 山本明保, 岩山功, 堀井滋, 下山淳一, 岸尾光二
  • 雑誌名: 低温工学 Vol.41(11) ページ: 497-504
• [雑誌論文] Improved critical current properties observed in MgB_2 bulks synthesized by low temperature solid-state reaction (2005)
  • 著者名/発表者名: A.Yamamoto, J.Shimoyama, S.Ueda, Y.Katsura, S.Horii, K.Kishio
  • 雑誌名: Superconductor Science & Technology Vol.18(1) ページ: 116-121
• [雑誌論文] Universal relationship between crystallinity and irreversibility field of MgB_2 (2005)
  • 著者名/発表者名: A.Yamamoto, J.shimoyama, S.Ueda, Y.Katura, I.Iwayama, S.Horii, K.Kishio
  • 雑誌名: Applied Physics Letters Vol.86(21) ページ: 2125021-2125023
• [雑誌論文] High Critical Current Properties of MgB_2 Bulks Prepared by a Diffusion Method (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Ueda, J.Shimoyama, I.Iwayaam, A.Yamamoto, Y.Katsura, S.Horii, K.Kishio
  • 雑誌名: Applied Physics Letters Vol.86(21) ページ: 2225021-2225023
• [雑誌論文] Doping Effects on Critical Current Properties of MgB_2 Bulks Synthesized by Modified Powder-In-Tube Method (2005)
  • 著者名/発表者名: A.Yamamoto, J.Shimoyama, S.Ueda, Y.Katsura, S.Horii, K.Kishio
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Vol.15(2) ページ: 3292-3295
• [雑誌論文] Generic Positive Effects of Low Level Impurity Doping on Flux Pinning Properties of HTSC and MgB_2 (2005)
  • 著者名/発表者名: J.Shimoyama, T.Maruyama, M.Shigemori, S.Uchida, S.Ueda, A.Yamamoto, Y.Katsura, S.Horii, K.Kishio
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Vol.15(2) ページ: 3778-3781
• [雑誌論文] Effects of B_4C Doping on Critical Current Properties of MgB_2 Superconductor (2005)
  • 著者名/発表者名: A.Yamamoto, J.Shimoyama, S.Ueda, I.Iwayama, S.Horii, K.Kishio
  • 雑誌名: Superconductor Science & Technology Vol.18(10) ページ: 1323-1328
• [雑誌論文] Effects of Sintering Conditions on Critical Current Properties and Microstructures of MgB_2 Bulks (2005)
  • 著者名/発表者名: A.Yamamoto, J.Shimoyama, S.Ueda, Y.Katsura, I.Iwayama, S.Horii, K.Kishio
  • 雑誌名: PHYSICA C - Superconductivity and Its Applications Vol.426(2) ページ: 1220-1224
• [雑誌論文] Flux Pinning Properties of Impurity Doped MgB_2 Bulks Synthesized by Diffusion Method (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Ueda, J.Shimoyama, A.Yamamoto, Y.Katsura, I.Iwayama, S.Horii, K.Kishio
  • 雑誌名: PHYSICA C - Superconductivity and Its Applications Vol.426(2) ページ: 1225-1230
• [雑誌論文] Synthesis of Dense MgB_2 Bulks and Their Critical Current Properties(in Japanese) (2005)
  • 著者名/発表者名: J.Shimoyama, S.Ueda, I.Iwayama, A.Yamamoto, Y.Katsura, S.Horii, K.Kishio
  • 雑誌名: Journal of the Cryogenic Society of Japan Vol.40(11) ページ: 360-365
• [雑誌論文] Relationship between Crystallinity and Critical Current Properties of MgB_2 Bulks (in Japanese) (2005)
  • 著者名/発表者名: A.Yamamoto, J.Shimoyama, S.Ueda, I.Iwayama, Y.Katsura, S.Horii, K.Kishio
  • 雑誌名: Journal of the Cryogenic Society of Japan Vol.40(11) ページ: 366-372
• [学会発表] Limiting Mechanism of Normal-State Connectivity in Polycrystalline MgB2 (2008)
  • 著者名/発表者名: A.Yamamoto
  • 学会等名: The 2008 Material Research Society Spring Meeting
  • 発表場所: サンフランシスコ
  • 年月日: 2008-03-26
• [学会発表] MgB2超伝導体における残留磁化とコネクティビティ (2007)
  • 著者名/発表者名: 山本 明保
  • 学会等名: 第77回2007年度秋季低温工学・超電導学会
  • 発表場所: 宮城県民会館
  • 年月日: 2007-11-22
• [学会発表] Effects of Chemical Doping and Microstructure Control on Critical Current Properties of MgB2 Bulks (2007)
  • 著者名/発表者名: A.Yamamoto
  • 学会等名: The 13th Japan-US Workshop on Advanced Superconductors
  • 発表場所: 長良川コンペンションセンター
  • 年月日: 2007-11-10
• [学会発表] Percolation Study on Normal-State Connectivity in Polycrystalline MgB2 (2007)
  • 著者名/発表者名: A.Yamamoto
  • 学会等名: 20th International Symposium on Superconductivity
  • 発表場所: エポカルつくば
  • 年月日: 2007-11-06
• [学会発表] Limiting Factors of Connectivity in Polycrystalline MgB2 (2007)
  • 著者名/発表者名: A.Yamamoto
  • 学会等名: 8th European Conference on Applied Superconductivity
  • 発表場所: ブリュッセル
  • 年月日: 2007-09-19
• [学会発表] 残留磁化法によるMgB2超伝導体の粒内臨界電流密度の評価 (2007)
  • 著者名/発表者名: 山本 明保
  • 学会等名: 第68回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 北海道工業大学
  • 年月日: 2007-09-07
• [学会発表] 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 (2007)
  • 著者名/発表者名: 山本 明保
  • 学会等名: 第76回2007年度春季低温工学・超電導学会
  • 発表場所: 千葉大学
  • 年月日: 2007-05-16