The behavior of vortices in High Tc Superconducting thin film with controlled pinning centers has been studied. Magneto optical imaging technique was used for figuring out features of magnetic flux profiles. During last 20 years, High Tc Superconducting thin film has been studied actively for the application related with power cable, motor, fault current limiter and etc. Recently there are huge efforts to increase critical current under magnetic field by introducing artificial pinning center like BaZrO3(BZO), BaSnO3(BSO). These studies have contributed to applicability of superconductor technology and as a result a number of papers have been published in Science and Nature. On the other hand, Brandt who was theoretical physicist suggested analytical solution of magnetization profile of superconducting thin film and the theoretical model can explain experimental results well as now on. But real superconducting thin film does not show same magnetization properties as Bean and Brandt model, so further studies need to be employed.
In this study, we try to figure out and explain magnetization tendencies of superconducting thin film using Magneto-Optical Imaging (MOI) technique. MOI technique was originated in Faraday Effect which has the polarized light rotating under magnetic field. This makes it possible to take pictures of 2D magnetic field distribution at the measurement plane above magnetic field’s source plane. We calculated current distribution from magnetic field by inversed Biot-Savart formulation. Then the current and field profiles were compared to Brandt model.
From flux profile measured by MOI, Superpower GdYBCO with BZO rod pinning center (RPC) sample showed anisotropic pinning force during flux penetration and extraction, In contrary, Superpower GdBCO without rod pinning center and KERI SmBCO with strong point pinning center showed isotropic pinning force. For the analysis of microscopic defect structure related with pinning force TEM images had been taken in the cross section of samples. It revealed RPC tilted to the certain direction.
We calculated flux line curve in superconducting thin film, which depended on sheet current density. In order to be able to explain the anisotropic phenomenon, zig-zag pinning model between tilted RPC and flux line curve was suggested. The result for pinning force distribution agrees with measured magnetic field profile reasonably.
자기 광학 이미지를 이용하여Superpower에서 제작한 이종 고온초전도체인 GdYBCO+BZO 박막, GdBCO 박막과 한국전기연구원에서 제작한 SmBCO박막의 자기장 분포를 측정하였다. 자기장 분포는 비오-사바르 법칙을 인버젼하는 수치계산을 통해 박막 내 흐르는 전류 밀도로 변환되었고 브란트가 제시한 자기장 분포에 관한 이론과 일치하도록 요한센이 제시한 이터레이션 방법을 이용하여 적절하게 보정되었다.
임계전류밀도를 자기장의 크기와 방향을 바꿔가며 측정한 자기장 의존성 데이터는 GdYBCO+BZO의 아웃오브플레인 자기장 하에서 임계전류밀도가 GdBCO, SmBCO와 비하여 크게 향상되는 것을 보여준다. 이것은 박막의 수직 방향으로 침투한 볼텍스가 라드 피닝 센터에 효과적으로 고정되어 퀀텀 마그네틱 플럭스와 전류 사이의 로렌츠 힘에 의한 에너지 분산을 방해하기 때문이다.
GdYBCO+BZO의 자기장 분포는 외부에서 침투한 플럭스가 초전도 박막의 중심까지 침투하여 마이스너 영역이 사라질 때 생성되는 플럭스 분포의 골짜기와 플럭스가 빠져 나가고 안티플럭스가 침투하여 생성되는 플럭스 분포의 언덕의 위치가 서로 다른 현상을 보여줬다. 이것은 볼텍스의 피닝 힘이 플럭스의 침투와 후퇴 방향에 대해 크기가 다른 이방성을 가지고 있음을 보여준다. 즉 라드에 의한 피닝 힘이 방향에 의존적이다. 이에 비해 SmBCO, GdBCO의 자기장 분포는 플럭스 분포의 골짜기와 안티플럭스의 언덕의 위치가 같다. 이것은 포인트 피닝센터와 CuO2 평면 피닝 센터가 주요한 피닝 소스인GdBCO와 SmBCO 셈플에서 피닝 힘이 플럭스 침투와 후퇴 방향에 대해 크기가 등방적이기 때문이다. 투과전자 현미경으로 GdYBCO+BZO 의 단면을 촬영한 사진은 BZO라드가 123-cuprate c 축에 대해 alpha만큼 기울어져서 성장한 것을 알 수 있다. 자기 광학이미지로부터 얻은 GdYBCO+BZO 표면의 전류분포로부터 초전도체 표면에 수평한 자기장 Bx와 수직한 자기장 By를 계산했을 때arctan(Bx/By)로부터 자기장의 침투 각도 beta는 볼텍스 침투 시에 |alpha-beta|가 작고 후퇴 시에는 큰 것을 발견했다. 이는 피닝 힘의 이방성이 플럭스 라인의 기울기와 관련되어 있는 증거이다.
좀 더 정확히 피닝 힘을 계산하기 위해 박막 내부에 침투한 플럭스 라인의 궤적을 계산하였다. 일반적으로 임계전류 밀도는 초전도 박막의 두께가 증가함에 따라 감소하는 것이 실험적으로 알려져 있는 데 전류밀도가 두께에 대해 선형적으로 감소한다고 가정하였다. 이러한 선형의존성 모델에 자기 광학 이미지로부터 계산된 박막의 임계전류 밀도를 대입하여 두께에 대한 플럭스 라인 분포를 그렸다. 박막의 두께가 초전도 파라메터 중 하나인 침투 깊이보다 충분히 두꺼운 영역에서 박막 내 플럭스 라인의 곡선과 라드 피닝센터 사이의 피닝힘을 zig-zag pinning scheme으로 모델링하여 침투와 후퇴에 따라 effective pinning length를 계산하였다. 이 때 effective pinning length를 두께에 대하여 선적분하여 구한 총 피닝힘이 RPC의 기울어져 있는 각도로 인해 플럭스의 침투와 후퇴 시에 서로 다른 것을 알 수 있었다.
