Pinning mechanisms in YBCO tapes

In this thesis work, a study on flux pinning mechanisms of di fferent types of REBCO tapes is presented. This study has been performed via critical current characterization performed with direct transport (via direct V-I curves) and magnetization (via a Vibrating Sample Magnetometer) measurements. The second technique turned out to be more appropriate for the comprehension of the pinning landscape of the analysed samples, as a wider range of magnetic fi elds and temperatures is available for those measurements in my experimental setup. The comparison of the experimental data with existing theoretical models allowed me to draw a picture of the pinning mechanisms in each sample. These mechanisms turned out to be quite diff erent for each sample. Moreover, for high-performance research tapes, another interesting feature has been found: the counterplay between the self- eld critical current and the in- eld one. Very well engineered arti cial pinning structures limit the self- eld critical current density due to the high density of defects, while samples with high degree of crystallinity have their in- field performance limited by the poor pinning properties. The work is organized as follows: in chapter 1, a general introduction on superconductivity is given, in order to introduce all the concepts and de nitions necessary to understand the forthcoming discussions. Also a brief outline of the BCS theory, even if it does not suit to high-temperature superconductors, is presented, in order to give to the reader an idea of how superconductivity is treated microscopically. In chapter 2, the properties of the material I investigated, i.e. REBCO, and other basic concepts concerning pinning are presented, focusing more on the main topic of this thesis rather than general superconductivity aspects. Chapter 3 is dedicated to a bibliographic research made in order to have a general idea about the achieved performance in state-of-the-art commercial and research REBCO tapes, and the pinning mechanisms employed up to now to increase the critical current performance of the tapes are described. In chapter 4, a brief summary of the pinning mechanisms in the low-temperature superconductors used for applications, such as Nb-Ti, Nb3Sn and MgB2 is given, in order to have a wider idea of the similarities and di fferencies of pinning techniques used in superconducting materials. A pinned type-II superconductor features magnetic hysteresis: in chapter 5, I focused the attention on the existing theoretical models accounting for the magnetization behaviour of high-temperature superconductors and its link to critical current. Besides, this chapter deals with the legitimacy of the extrapolation of the critical current density from the magnetization hysteresis loop, which has been used for the data analysis. In chapter 6 the experimental setup used for my measurements is described, while in chapter 7 the achieved results are presented and widely discussed. In the conclusions (chapter 8), a summary of the obtained results and the performed analyses is presented. Two appendixes have been added for the sake of completeness. They contain a brief outline of the theoretical models used during the data analysis.

In questo lavoro di tesi viene presentato uno studio sui meccanismi di pinning dei flussoni su nastri commerciali di REBCO. Lo studio e' stato effettuato tramite caratterizzazione in corrente critica dei campioni a mia disposizione, utilizzando misure di trasporto (misure dirette della caratteristica V-I) e magnetizzazione (con un sistema VSM). Queste ultime si sono rivelate essere migliori per la comprensione dei meccanismi di pinning, dato che nel setup a mia disposizione un ampio range di campi magnetici e temperature era disponibile durante le misure magnetiche. Il confronto dei dati sperimentali con modelli teorici gi a esistenti mi ha permesso di comprendere le propriet a di pinning di ogni campione, che si sono rivelate essere differenti. Inoltre, per quanto riguarda i nastri in ricerca e sviluppo ad alte performance, e stata investigata un'altra importante caratteristica: il controbilanciamento delle perfomance in autocampo e di quelle in campo. Strutture di pinning arti ciale altamente ingegnerizzate limitano la densit a' di corrente critica in auto-campo, vista l'alta densit a di difetti presente nel volume per avere un effi cace pinning, mentre i campioni con un alto grado di cristallinit a' sono limitati in campo a causa delle loro scarse propriet a' di pinning. Il testo e' organizzato come segue: nel capitolo 1, viene presentata una introduzione generale sul fenomeno dell superconduttivit a', al fine di introdurre tutti i concetti e le quantit a' di base necessarie per comprendere i capitoli successivi. Viene inoltre presentata brevemente parte della teoria BCS, nonostante non sia adatta per studiare i superconduttori ad alta temperatura, per dare un'idea al lettore di come la superconduttivit a' viene trattata tramite teorie microscopiche. Nel capitolo 2 vengono presentate le propriet a' del materiale che ho studiato, l'YBCO, e altri concetti di base riguardanti il pinning, andando a focalizzare l'attenzione sul principale argomento della presente tesi pi u' che sulla superconduttivit a in generale. Il capitolo 3 e' dedicato ad una ricerca bibliogra fica eff ettuata al fine di avere un'idea generale delle attuali performance dei nastri superconduttori (commerciali e non) allo stato dell'arte, e i meccanismi di pinning utilizzati fino ad ora per aumentarne la corrente critica. E' seguita, nel capitolo 4, da un breve riassunto sui meccanismi di pinning presenti nei superconduttori a bassa temperatura che vengono principalmente utilizzati per applicazioni, come il Nb-Ti, il Nb3Sn e il MgB2, per avere un'idea pi u' generale di come il pinning viene ottenuto in diversi materiali. I superconduttori di tipo II con pinning dei flussoni presentano isteresi magnetica: nel capitolo 5 ho concentrato l'attenzione sui modelli teorici esistenti che spiegano la magnetizzazione dei superconduttori ad alta temperatura e il suo legame con la corrente critica. Inoltre, questo capitolo discute la legittimit a' dell'estrapolazione della corrente critica dal ciclo di isteresi, concetto che 'e stato poi utilizzato durante l'analisi dei dati. Nel capitolo 6 viene descritto l'apparato sperimentale utilizzato durante le misure, mentre nel capitolo successivo sono presentati i risultati e la loro discussione. I meccanismi di pinning dedotti dai dati sperimentali sono riassunti nel capitolo 8; sono state poi aggiunte due appendici per completezza, contenenti un breve riepilogo dei modelli teorici utilizzati per l'analisi.