FIELD, TEMPERATURE AND ANGULAR DEPENDENCE OF ELECTRIC-FIELD TRANSPORT CURRENT CHARACTERISTICS OF NbTi SUPRACONDUCTORS

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Submitted on 1 Jan 1984

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FIELD, TEMPERATURE AND ANGULAR

DEPENDENCE OF ELECTRIC-FIELD TRANSPORT CURRENT CHARACTERISTICS OF NbTi

SUPRACONDUCTORS

M. Polak, D. Gentile

To cite this version:

M. Polak, D. Gentile. FIELD, TEMPERATURE AND ANGULAR DEPENDENCE OF ELECTRIC-

FIELD TRANSPORT CURRENT CHARACTERISTICS OF NbTi SUPRACONDUCTORS. Journal

de Physique Colloques, 1984, 45 (C1), pp.C1-541-C1-545. �10.1051/jphyscol:19841110�. �jpa-00223579�

FIELD, TEMPERATURE AND ANGULAR DEPENDENCE OF ELECTRIC-FIELD TRANSPORT CURRENT CHARACTERISTICS OF NbTi SUPRACONDUCTORS

M. Polak and D. ent tile*

BLectrotechnicaL I h s t i t u t e , Centre o f t h e EZt?ctrophysicaL Research, Slovak Academy o f Sciences, Bratis Lava, Czechos Lovakia

' ~ c o ~ e Nationale Supe'rieure des Techniques AvancEes, Centre de L'Yvette, Chemin de La HuniOre, 91 120 Palaiseau, France

R6sum6 - C e t a r t i c l e c o n c e r n e 1 1 6 t u d e d e s p a r a m 6 t r e . s c a r a c t 6 - r i s t i q u e s r e l i a n t l e champ g l e c t r i q u e a u c o u r a n t d e t r a n s p o r t

( p o u r l e s f a i b l e s v a l e u r s du champ) d a n s l e s s u p r a c o n d u c t e u r s ( N b T i ) . La p a r t i e b a s s e d e c e t t e c a r a c t 5 r i s t i q u e t e n s i o n - c o u - r a n t , c o r r e s p o n d a n t 3 d e s s a u t s d e flu:: d u s 2 l a f o r c e d e L o r e n t z , e s t l a d o n n e e d e b a s e ? e r r n e t t a n t d ' e s t i m e r l a c a ? a c i - t 6 e l e c t r i q u e d u c o n d u c t e u r . Dans c e d o m a i n e d e champ ( q u e l - q u e s p V / c m ) , il n ' y a e n c o r e a u c u n p a r t a g e d e c o u r a n t e t l ' i n f l u e n c e d e 1 ' 6 c h a u f f e m e n t e s t n P g l i g e a b l e .

A b s t r a c t - T h i s a r t i c l e d e a l s w i t h t h e s t u d y o f t h e p a r a m e t e r s c h a r a c t e r i z i n g t h e s l o ~ e o f t h e e l e c t r i c f i e l d t r a n s p o r t c u r - r e n t c h a r a c t e r i s t i c s o f NbTi s u p e r c o n d u c t o r s i n t h e i r low e l e c t r i c f i e l d p a r t . The low E p a r t o f t h e E - I c h a r a c t e r i s t i c , a r i s i n g f r o m f l u x v o r t i c e s m o t i o n c?ue t o t h e L o r e n t z f o r c e , i s t h e b a s i c d a t a from w h i c h t h e c u r r e n t c a r r y i n g c a p a c i t y o i t h e c i v e n c o m p o s i t e c o n d u c t o r c a n b e e s t i m a t e d . I n t h i s r a n g e o f E (some fiV/cm), n o c u r r e n t s h a r i n g o c c u r s a n d i n f l u e n c e o f h e a t i n q i s n e g l i g i b l e .

I n t r o d u c t i o n - E x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s

-

The o b j e c t i v e s o f t h i s e x p e r i m e n t a l work w e r e t o s p e c i f y t h e s h a p e o f t h e E - I c h a r a c t e r i s t i c s i n t h e i r low E p a r t a n d t o s t a t e t h e i n f l u e n c e 3 f m a g n e t i c f i e l d , i t s o r i e n t a t i o n w i t h r e s p e c t t o t h e s a m p l e 2nd coo- l i n g c o n d i t i o n s

,

,

3 ) .

The m e a s u r e m e n t s h a v e b e e n n a d e o n s a n p l e s o f a n u n i n s u l a t e d c o y p e r s t a b i l i z e d m o n o f i l a m e n t a r y NbTi c o n d u c t o r (2-C d i a m e t e r 3 6 ~ 1 , c o p p e r d i a m e t e r 52* and c r i t i c a l c u r r e n t ISc o f 1 0 ~ / c m ~ i n p e r p e n d i c u l a r f i e l d 5T a t 4 . 2 K , c o r r e s p o n d i n g t o a n e l e c t r i c f i e l d o f O . l , k V / c m ) . The e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s w e r e

- p e r p e n d i c u l a r f i e l d s up t o 6 T a t 4 . 2 K

- v a r i a b l e b a t h t e m p e r a t u r e f r o m 1 . 6 K u p t o t h e c r i t i c a l t e m p e r a t u r e T

7 K i n a m a g n e t i c f i e l d o f 3T.

- d i f f e r e n t a n g E e s f i e l d - s a m p l e a x i s CQ.

4 s p e c i a l a t t e m p t was d o n e t o a s s u r e d good c o o l i n g c o n d i t i o n s a n d avojd a n y d i s t u r b i n g v o l t a q e s . The t r a n s p o r t c u r r e n t sweep r a t e s w e r e low enouqh t o e l i m i n a t e t h e s e l f f i e l d v o l t a g e ( 4 ) . The t e s t e d s a m p l e s a r e p r e s e n t e d o n f i c . 1 a n d l i s t e d i n t a b l e I

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19841110

CI-542 JOURNAL DE PHYSIQUE

a m p l e s lTotal l e n g t h

( c m ) I C o o l i n g c o n d i t i o n s m e a s u r e m e n t s

I

F i g . 1 - The s h a p e s o f t h e t e s t e d s a m p l e s

a - b i f i l a r l y wound b - c i r c u l a r s p i r e c - s h o r t s t r a i g h t d - s p i r a l

E x p e r i m e n t a l r e s u l t s a n d d i s c u s s i o n a

b

- c

-

d

x

F o r e a c h s a m p l e , t h e r e s u l t s show a n d e x p o n e n t i a l d e p e n d e n c e o f t h e e l e c t r i c f i e l d E o n t r a n s p o r t c u r r e n t I , u p t o a l i m i t Em d e p e n d i n g o n f i e l d and t e m p e r a t u r e . T h i s low E - p a r t c a n b e d e f i n e d by a c h a r a c - t e r i s t i c p a r a m e t e r 4 1 1 , w h i c h c o r r e s p o n d s t o a n i n c r e a s e of t h e t r a n s - p o r t c u r r e n t f o r a c h a n g e f r o m E t o 1 0 E .

F i g . 2 r e p r e s e n t s t h e E-I c u r v e s f o r s a m p l e ( a ) f o r d i f f e r e n t m a g n e t i c f i e l d s . The s u p e r c o n d u c t i n g - n o r m a l t r a n s i t i o n s o c c u r e d a t a c o r r e s p o n - d i n g h e a t f l u x o f 0 . 7 5 w/crc2, i n d e p e n d e n t o n f i e l d - . S i m i l a r c u r v e s h a v e b e e n 0 b t a i n e . l f o r o t h e r s a m p l e s . T h e c o r r e s p o n d i n g p a r a m e t e r P I 1 i s shown o n f i g . 3 f o r e a c h s a m p l e .

1 275

1 1

5 5

1

o t s o f E v e r s u s I f o r s a m p l e a i n p e r p e n d i c u l a r w h o l e w i r e s u r f a c e

in

w i t h h e l l u r n

t h e w i r e g l u e d w i t h GE 7031 t o t h e S u D ~ o r t

f i e l d a t 42%

i n p e r p e n d i c u l a r

. a t v a r i a b l e t e m p e r a t u r e s i n g a s f l o w ( 5 )

i n v a r i a b l e o r i e n t a t i o n cQ

( 6 )

T h ~ i n f l u e n c e o f f i e l d - s a m p l e a x i s o r i e n t a t i o n 9 i s r e p r e s e n t e d b y t h e s a m e A I l o n f i g . 4 , a s w e l l a s t h e d e p e n d e n c e o f t h e c r i t i c a l c u r r e n t I c ( 0 ,

d e f i n e d f o r E

O . l p V / c m .

I t h a s b e e n f o u n d n o d e p e n d e n c e o f d I 1 o n t e m p e r a t u r e T .

x F i e l d - d e ~ e n d e n c e o f bI1

As m e n t i o n e d i n ( 2 ) , t h i s d e p e n d e n c e c a n b e e x D r e s s e d a s

1 - 1 ( B

E = Eo e x p

P (Br Tr

w h e r e E , ^{I (B T} yo) i s a n a r b i t r a r y p o i n t o n t h e c u r v e f o r B = c o n g t a n ? , 9; ^=%;2 a n d t e m p e r a t u r e To. The p a r a m e t e r g d e f i n e d a g A I l / l n 1 0 d e p e n d s o n B, T a n d y .

I n f i g . 3 , t h e f i e l d d e p e n d e n c e o f t h e L o r e n t z f o r c e FL

Ic. B h a s b e e n a l s o p l o t t e d . N o t e t h a t t h e maximum o f FL c o r r e s p o n d s t o a minimun o f 4 1 1 a t B

5T. F o r e a c h s a m p l e i t h a s b e e n v e r i f i e d t h a t t h e p r o - d u c t b . 1 1 . FL v a r i e s l i n e a r l y w i t h t h e m a g n e t i c f i e l d s ( 2 ) , ( 7 ) . T h i s t y p e o f d e p e n d e n c e c a n b e e x p r e s s e d b y t h e r e l a t i o n s h i p

A I 1 . ^{I c (B} + ^{B ' )}

^{K ( 2 )}

w h e r e B ' a n d K a r e c o n s t a n t .

I t was n o t p o s s i b l e t o d e t e c t a l o w e r l i m i t o f t h e e x p o n e n t i a l p a r t . Up t o 6 nV/cm ( s e n s i t i v i t y l i m i t ) t h e c h a r a c t e r i s t i c s w e r e a l w a y s o f expo- n e n t i a l t y p e . E a r l i e r m e a s u r e m e n t s ( 2

( u p t o 0 . 1 nV/cm) d i d n o t e x h i - b i t a n y d e v i a t i o n f r o m t h i s l a w .

x

T e m p e r a t u r e d e ~ e n d e n c e o f 41

P r e s e n t r e s u l t s c o n f i r m e d

t h a t PI4 d o e s n o t c h a n g e w i t h T ( f r o m 1 . 6 K t o 7 K), w i t h i n t h e a c c u r a c y o f 1 0

One c a n a s s u m e t h a t @ i s a l s o c o n s t a n t w i t h T i n a n y m a g n e t i c

f i e l d .

x A n g u l a r d e p e n d e n c e o f 41: t h e L o r e n t z f o r c e i s c h a n g e d a s FL

A s shown i n r e f . ( 6 ) , t h e p i n n i n g f o r c e a l s o c h a n g e s a s a c o n s e - q u e n c e o f t h e a n i s o t r o p i c n a t u r e o f t h e d e f e c t s i n t h e NbTi.

I n f i g . 5 t h e d e p e n d e n c e o f & I l o n t h e c r i t i c a l c u r r e n t f o r v a r i o u s

p e r p e n d i c u l a r f i e l d s h a s b e e n compared t o t h i s o f L \ I 1 o n Ic f o r v a r i o E

a n g l e s '4 a t 4T ( s a m p l e c ) . T h e s e two c u r v e s a r e i d e n t i c a l w i t h i n t h e

m e a s u r e m e n t a c c u r a c y u p t o I, c o r r e s p o n d i n q t o B b 0 . 5 T a n d y-35'.

C1-544 JOURNAL DE PHYSIQUE

a l i n e a r f u n c t i o n o f I, i n t h i s r a n q e o f

.

f i e l d a n d a n q l e .

F i g . 4 -

c a n d d .

.L---ld.

A n g u l a r de7:ndence o f A I ~ a n d c r i t i c a l c

-.

^.

. . , . ^. .. ^, u r r e n t f o r s a m p l e s

' c 0 . 7

F i g . 5 - The d e p e n d e n c e o f & I 1 o n t h e c r i t i c a l c u r r e n t

- f o r v a r i o u s p e r p e n d i c u l a r k a t 4.2 K

- f o r v a r i o u s a n g l e s a t 4.2 K a n d

4 T C o n c l u s i o n s

E l e c t r i c f i e l d m e a s u r e d on t h e s u r f a c e o f t h e 5 2 p m o u t e r d i a m e t e r m o n o f i l a m e n t a r y NbTi c o m p o s i t e s u p e r c o n d u c t o r d e p e n d s o n t h e t r a n s - p o r t c u r r e n t e x p o n e n t i a l l y up t o a n u p p e r l i m i t

w h i c h i s a f u n c - t i o n o f B , T a n d t h e c o o l i n g c o n d i t i o n s .

The p a r a m e t e r A I 1 r e p r e s e n t i n g t h e s l o p e o f t h e e x p o n e n t i a l p o r t i o n o f a n E - I c h a r a c t e r i s t i c i n t h e s e m i l o g a r i t h m i c p l o t was m e a s u r e d a s a f u n c t i o n o f m a g n e t i c f i e l d up t o 6T, t e m p e r a t u r e b e t w e e n 1 , 6 K a n d

k 7 K a t B

3T a n d t h e a n g l e b e t w e e n f i e l d a n 2 w i r e a x i s . I t was f o u n d t o b e i n v e r s e l y p r o p o r t i o n a l t o t h e L o r e n t z f o r c e i n t h e p e r p e n - d i c u l a r g e o m e t r y a n d d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l t o t h e c r i t i c a l c u r r e n t b y v a r y i n g t h e a n g l e s a m p l e a x i s - m a q n e t i c f i e l d f o r 90 4 'f< 3 5 " . d I 1 was e s s e n t i a l l y t e r n D e r a t u r e i n d e p e n d e n r i n B

T a t 4 . 2 K .

We s u T p o s e , t h a t a f t e r some s u p p l e m e n t a r y e x p e r i m e n t s i t w i l l be p o s s i - b l e t o show, t h a t t h e e q u a t i o n ( 1 ) c a n b e g e n e r a l i z e d f o r c a l c u l a t i n g t h e r e l a t i o n b e t w e e n E a n d I i n t h e m e a n i n g o f t h e c r i t i c a l l a y e r con- c e p t i n t r o d u c e d i n ( 3 ) .

T h i s e x p e r i m e n t a l work h a s b e e n a c h i e v e d a t t h e C e n t r e d ' E t u d e s Y u c l g a i r e s o f S a c l a y , 91190 G i f - s u r - Y v e t t e , F r a n c e , and a t t h e

E l e c t r o t e c h n i c a l I n s t i t u t e o f t h e S l o v a k Akaderny o f S c i e n c e , B r a t i s l a m

C z e c h o s l o v a k i a .

( 2 ) POLAK M . , HLASNICK I . , KREMPAKY L . , C r y o g e n i c s , 13, 1 9 7 3 , p . 7 0 2 ( 3 ) DOROFEJEV G . L . , a n d

C r y o g e n i c s , 20, 1 9 8 0 ,

3 0 7

( 4 ) DUCHATEAU J . L . , TLVRCK B . , K.PEMPASKY L . , C r y o g e n i c s , 16, 1 9 7 6 , p . 9 7 .

( 5 ) GENTILE C . , HASSENZANL W . , POLAK M . , I n t . R e p o r t CEN S a c l a y , S u p r a 7 9 - 1 5 , 1 9 7 9

( 6 ) TAKACS S . a n d a l , C r y o g e n i c s , 23, 1 9 2 3 , p. 1 5 3

( 7 ) FEVRIER A . , RENARD J . C . , Adv. i n C r y o c . E n g i n e e r i n g , 24, 1 9 7 8 ,

p. 3 6 3 .